微米级分子建模套件可显示真实的化学反应

分子是如此之小，以至于我们甚至无法用普通显微镜看到它们。这使得研究分子或化学反应变得困难：研究人员仅限于间接观察或计算机模型。阿姆斯特丹大学和纽约大学的一组研究人员现在已经找到了一种使用“斑点颗粒”构建微米级模型分子的方法。这样可以更直接地研究分子动力学。研究结果于本周发表在《自然通讯》上。

在高中学习化学时，我们使用分子建模套件，其中原子由木制或塑料球表示，您可以将其连接以形成分子。这些建模工具包可帮助我们可视化分子的空间结构并想象它们如何反应，但显然在木制或塑料球之间不会发生真正的化学反应。现在事实证明，对于很小的球，这种情况发生了巨大变化。

新的建模套件

尽管分子建模工具包可能非常有用，但是我们对分子的大多数实际知识却以更间接的方式出现。它尤其来自于分子吸收的辐射光谱的测量。例如，红外光谱为科学家提供了分子振动的指纹，从中可以推断出分子的组成和结构。通过对分子的直接观察，可以立即了解它们的排列，分子振动和反应。但是，这种直接的图像被分子的小尺寸和快速运动所排除。所有对分子的观察都是间接的，这一事实挑战了我们对三维分子结构和反应的想象力。

这个问题使阿姆斯特丹大学和纽约大学的物理学家和化学家找到了一种方法，可以将常见分子建模工具包的简便可视化与实际分子在亚纳米尺度下发生的实际物理相结合。在阿姆斯特丹的实验室中，科学家们设法用纽约实验室生产的微米级小塑料球(所谓的胶体颗粒)制造“分子”。粒子的制造方式使得它们仅在特定方向上相互吸引，非常精确地模拟了原子之间化学键之间的特定角度，这些角度决定了原子排列成分子的方式。

这些微米级的颗粒确实结合了两个方面的优点：它们足够小，可以表现出分子因温度而经历的特征运动和振动，但又足够大，可以用常规显微镜观察和观察。

原子进入，分子离开

为了模仿特定类型的原子，阿姆斯特丹的研究人员使用了过去几年开发的技术，为胶体粒子配备了引人注目的斑块，模型原子可以“点击”在一起。这些补丁的数量和配置决定了要建模的原子的类型，例如，模拟碳原子，研究人员制成了具有四面体几何形状的四个斑块的粒子，或者在相对的侧面上形成了具有两个斑块的粒子，从而再现了两个众所周知的碳原子结合态的键角。最重要的是-这是新试剂盒远远超出了普通分子模型的地方-他们设法微调了补丁之间的相互作用，从而使模型原子能够形成键并以与原子完全相同的方式再次分裂在真实的化学反应中。

建模套件证明可以很好地工作。当几个模型原子聚集在一起时，研究人员观察到，这些颗粒确实形成了碳化学众所周知的“分子”。在显微镜下，可以看到丁炔和丁烷等分子的类似物，这些分子的主要原子排列成一条线。还可以对在有机化学中起重要作用的具有环状构型的分子进行建模：可以观察到诸如环戊烷(一个具有五个碳原子的环的分子)和环己烷(具有六个这样的原子的环)的结构。 。

褶皱和催化

由于模型分子的尺寸较大，研究人员可以实时，详细地跟踪其形成和内部运动。这样一来，他们就可以直接看到仅通过间接观察才知道发生的现象。例如，对于环戊烷的五原子环结构，他们直接观察到组成原子的典型“起皱”运动：环戊烷环不固定在单个平面上，而是变形，因此组成原子可以进出移出。那架飞机。出现这种现象的原因是，原子之间的自然角与形成平坦的五原子环所需的角不完全匹配，因此始终必须将一个原子从平面中折起。到目前为止，仅通过间接光谱测量法观察到了产生的褶皱运动，但是现在研究人员已经能够在真实的空间和时间中直接跟随运动，在他们的眼前看到它的发生。他们发现翻转是集体发生的：粒子的上下运动影响了环中所有其他粒子的运动。

使用相同的分子，研究人员可以观察化学反应的发生方式。观察到该环打开并附着到其他分子上，可以通过在装置上添加一个吸引人的表面来增强这种效果。也就是说，表面充当了催化剂，从字面上看，可以洞悉此类催化反应期间发生的情况。

足够小但又足够大

当然，模型原子的微米尺寸仍比实际原子的亚纳米尺寸大1000倍左右，但这是因为它们足够小，可以经受随机的热运动，这就是为什么发生化学反应。正如理查德·费曼(Richard Feynman)在演讲中所说的那样：“生物的一切都可以用原子的摇摆和摇摆来理解”;正是这些微动和摆动，在显微镜下观察胶体原子时可以清楚地观察到，它们使微米级分子建模工具包与我们从高中认识到的相应模型区别开来。

因此，建模工具包是直接观察其自然栖息地中“分子”的非常有用的工具，应具有许多有用的应用。除了使分子具有吸引力的可视化效果外，结果还提供了对几何催化剂对分子反应的作用的深入了解。此外，新型小型构件的可用性为直接在显微镜下设计复杂的新材料打开了大门，其应用范围广泛，从用于医疗目的的人造组织到可用于技术的功能纳米结构。

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