Kimyacılar İlk Kez, Tek Bir Moleküldeki Atomik Bağları Yeniden Düzenlediler

İspanya'daki Santiago de Compostela Üniversitesi, Almanya'daki Regensburg Üniversitesi ve IBM Research Europe'dan araştırmacıların tek bir molekülü küçük bir voltaj dalgalanmasıyla bir dizi dönüşüm geçirmeye zorlamasıyla kimya mühendisliği bir adım daha attı.

Normalde kimyagerler, moleküllerin bağlarını oluşturmak için elektronları paylaşma veya takas etme şeklini yönetmek için pH gibi parametreleri ayarlayarak, mevcut proton donörlerini ekleyerek veya çıkararak reaksiyonlar üzerinde oynamalar yaparlar.

Araştırmacılar, Science dergisinde yayınlanan raporlarında, "Bununla birlikte, reaksiyon koşulları, çoğu zaman anlaşılması zor olacak şekilde değiştirilir" diyor.

Başka bir deyişle, büyük bir organik molekülü iten ve çeken kuvvetlerin karmaşıklığı, her bir bağda neler olup bittiğine dair kesin bir ölçüm almayı zorlaştırabilir.

Ekip, 5,6,11,12-tetraklorotetrasen (C18H8Cl4) adlı bir maddeyle başladı – aç arılar gibi etrafta gezinen dört klor atomuyla çevrili dört petek hücreli bir sıraya benzeyen karbon bazlı bir molekül.

Araştırmacılar, soğuk, tuzlu kabuklu bir bakır parçasına ince bir malzeme tabakası yapıştırarak, klor arılarını uzaklaştırdılar ve bir dizi ilgili yapılarda eşleşmemiş elektronları tutan bir miktar uyarılabilir karbon atomu bıraktılar.

Fotoğraf: İzomerlere yeniden yapılandırılmış tek bir molekül (Alabugin & Hu, Science, 2022)

Bazı yapılardaki bu elektronlardan ikisi, molekülün genel petek şeklini yeniden yapılandırarak birbirleriyle yeniden bağlandı. İkinci çift aynı zamanda sadece birbirleriyle değil, yollarını bulabilecek diğer mevcut elektronlarla da eşleşmeye hevesliydi.

Normalde, bu titrek yapı, kalan elektronlar da birbirleriyle eşleştiğinden kısa ömürlü olacaktır. Ancak araştırmacılar, bu özel sistemin sıradan bir sistem olmadığını buldular.

Atom büyüklüğünde hafif bir voltaj itişiyle, tek bir molekülü, dört hücrenin bükülmüş bir alkin olarak bilinen şeyde hizadan çekildiği bir şekilde bağlamaya zorlayabileceklerini gösterdiler.

Biraz daha az kuvvetle çalkalanan bu elektronlar farklı bir şekilde eşleşir ve yapıyı tamamen farklı bir şekilde siklobutadien halkası olarak bilinen şeye bozar.

Her ürün daha sonra bir elektron darbesiyle orijinal durumuna geri döndürüldü.

Araştırmacılar, kesin voltaj ve akımlar kullanarak tek bir molekülü farklı şekillere veya izomerlere dönüşmeye zorlayarak, elektronlarının davranışları ve organik bileşiklerin stabilitesi ve tercih edilen konfigürasyonları hakkında fikir edinebilirler.

Oradan, sayısız molekülün büyük ölçekli bir reaksiyonunu tek bir yöne itebilecek ve reaksiyonu daha spesifik hale getirebilecek katalizör arayışını azaltmak mümkün olabilir.

Önceki çalışmalar, tek tek moleküllerin yeniden konfigürasyonlarını görselleştirmek ve hatta bir kimyasal reaksiyonun bireysel adımlarını manipüle etmek için benzer yöntemler kullanmıştı. Şimdi, normalde değiştirilmesi o kadar kolay olmayacak izomerler oluşturmak üzere moleküllerin bağlarına ince ayar yapmak için yeni yöntemler geliştiriyoruz.

Bunun gibi araştırmalar kimyayı daha hassas hale getirmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda mühendislere nano ölçekte makineler üretmeleri için yeni araçlar sağlar ve karbon çerçeveleri sıradan kimya ile mümkün olmayan egzotik şekillere dönüştürür.

Bu araştırma Science dergisinde yayınlandı.