世上最細、最緊分子結發現!僅由 54 原子組成 助研聚合物結構

最緊的「結 (knot) 」是怎樣的?最新刊於《自然通訊》的研究指,用 54 個原子纏繞的金「三葉形」原子結是世上最小、最緊的結。

這種三葉形結是最簡單且不能解開的結,也是數學結理論的基礎。

2020 年,中國化學家曾訓練了一條由 69 個原子組成的鏈,使其自身交叉三次形成三葉形結。在是次研究中,加拿大西安大略大學和中國科學院的聯合團隊,打破了 2020 年列入了健力氏世界記錄、由 69 個原子組成的結。

隨著原子與「反向交叉」的比例減小,分子結的強度會變得更強。 2020 年中國團隊製造的結,其主幹交叉比 (backbone crossing ratio, BCR) 為 23 ;是次團隊的結,其 BCR 則為 18;而大多數有機分子結的 BCR 介乎於 27 到 33 之間。雖然專家不確定它們能夠繼續形成多小或緊密的單鏈結,但量子化學計算表明,最穩定的三葉形結構約為 50 個分子長,意味著人類正在慢慢接近理論極限。

是次發現讓專家比以往任都更接近我們體內 DNA、RNA 和各種蛋白質中自然形成的微觀結。 更重要的是,了解這些結如何形成可幫助學者製造更好的塑膠和聚合物。

西安大略大學 Richard Puddephatt 接受《新科學人》訪問時指出,發現是個意外。團隊原本正在製造金屬乙炔化合物 (acetylides) ,這是一種從末端除去氫的炔烴,並可幫助團隊進行其他有機化學反應。

當乙炔金與另一種稱為二膦配體的碳結構連接時,團隊出乎意料地創造該個三葉結,而不是原本預期的金鍊或索烴 (catenane) 。

自 1989 年以來,化學家一直試圖透過用金屬離子,將螺旋鏈引導成所需的結構來製造分子結。例如,在 2020 年,中國團隊就是透過使用金屬原子「折疊和纏繞」分子鏈,打出當時最緊的三葉結;當這些金屬原子在過程結束被移除時,分子結就無法解開。不過,最新的分子結較為不同,能自行組裝。

Puddephatt 指,這是一個相當複雜的系統,而團隊不知道過程是如何發生的。

來源:

Science Alert, Chemists Have Just Tied The Tightest Knot Ever, Made of Just 54 Atoms

報告:

Li, Z., Zhang, J., Li, G. & et al. (2024). Self-assembly of the smallest and tightest molecular trefoil knot. Nat Commun 15, 154. doi: 10.1038/s41467-023-44302-y

文/AC

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