کوچکترین و محکمترین گره دنیا در ابعاد اتمی، به شکل اتفاقی ساخته شد
دانشمندان دانشگاه وسترن انتاریو و آکادمی علوم چین به طور اتفاقی کوچکترین و محکمترین گره را تشکیل کردهاند که میتواند در کتاب رکوردهای جهانی گینس ثبت بشود.
این درهمتنیدگی میکروسکوپی قابل دقت شامل تنها ۵۴ اتم است که سه بار به دور خود پیچیده و به حلقهای در هم پیچیده تبدیل شده که به آن «گره سهپره» میگویند.
این شکل که همانند به گیاه شبدر سه برگی است، سادهترین گره است و برای نظریه گرههای ریاضی بنیادی است.
شیمیدانان چینی در سال ۲۰۲۰ زنجیرهای متشکل از ۶۹ اتم را طوری قرار دادند تا سه بار از روی خود عبور کنند و گره سهپره را راه اندازی دهند. اکنون پژوهشگران دانشگاه وسترن انتاریو در کانادا و آکادمی علوم چین با یکدیگر متحد شدهاند و این رکورد را با تشکیل یک گره سهپره ۵۴ اتمی شکستهاند.
گفتنی است که با افت نسبت اتمها نسبت به شاخص «تلاقی برگشتی»(back crossings)، قوت گره مولکولی نیرومندتر میبشود. گره تشکیل شده در سال ۲۰۲۰ دارای نسبت تلاقی برگشتی(BCR) ۲۳ می بود، در حالی که نسبت تلاقی برگشتی گره جاری ۱۸ است. زیاد تر گرههای مولکولی آلی دارای BCR بین ۲۷ تا ۳۳ می باشند.
در حالی که پژوهشگران یقین نیستند که چه مقدار میتوانند به ساخت این گرههای تک رشتهای کوچک و محکم ادامه دهند، محاسبات شیمیایی کوانتومی مشخص می کند که پایدارترین ساختار سهپره نزدیک به ۵۰ مولکول طول دارد. به این معنی است که ما در حال نزدیکتر شدن به حد نظری این عرصه هستیم.
این شاهکار تازه، پژوهشگران را بیشتر از هر زمان فرد دیگر به گرههای میکروسکوپی که به طور طبیعی در دیانای، آرانای و پروتئینهای گوناگون در بدن ما راه اندازی خواهد شد، نزدیک میکند. علاوه بر این، فهمیدن چگونگی شکلگیری تازه ترین گرهها میتواند به دانشمندان در ساخت پلاستیکها و پلیمرهای بهتر پشتیبانی کند.
پژوهشگران میگویند: گرههای مولکولی که تشکیل آنها چالشهای بسیاری را به همراه دارد، میتوانند نقش مهمی در ساختار و کارکرد پروتئین و این چنین در مواد مولکولی سودمند داشته باشند که خواص آنها به اندازه ساختار آنها بستگی دارد.
همانند تعداد بسیاری از پیشرفتهای علمی، این یکی نیز یک تصادف مبارک است. ریچارد پودفات شیمیدان این اتفاقات اتفاقی را شرح داده است.
پودفات و همکارانش در دانشگاه وسترن انتاریو روی تشکیل استیلیدهای فلزی در آزمایشگاه کار میکردند که آلکینها(نوعی هیدروکربن با هیدروژن حذف شده از انتهای آن) بودند. این محصول نهایی زیاد سودمند است، چون میتواند به دانشمندان در انجام عکس العملهای شیمیایی آلی پشتیبانی کند.
پژوهشگران زمان اتصال استیلید طلا با ساختار کربن فرد دیگر به نام لیگاند دیفسفین، به طور غیرمنتظرهای به جای یک زنجیره طلا یا کاتنان(catenane)، یک گره سهپره تشکیل کردند.
شیمیدانان از سال ۱۹۸۹ تا بحال تلاش در تشکیل گرههای مولکولی با هدایت زنجیرههای مارپیچ به ساختار مورد نظر با یونهای فلزی داشتند.
برای مثال در سال ۲۰۲۰، شیمیدانها با منفعت گیری از اتمهای فلزی برای «تا کردن و درهمتنیدگی» رشته مولکولی، محکمترین گره سهپره آن زمان را تشکیل کردند. هنگامی که این اتمهای فلزی در آخر فرآیند حذف خواهد شد، گره نمیتواند باز بشود.
این تازه ترین گره فلزی از طلا متفاوت است، چون خود را جمع میکند.
پودفات که در دانشگاه وسترن انتاریو کار میکند، میگوید: این یک سیستم کاملاً پیچیده است و صادقانه بگویم، ما نمیدانیم چطور اتفاق میافتد.
او و همکارانش امیدوارند که گره آنها انگیزهای قوی برای جستوجو کردن ساختارهای شبیه و نیرومندتر در آینده تشکیل کند.
این مطالعه در مجله Nature Communications انتشار شده است.