كانازاوا، اليابان، 8 تشرين الثاني/نوفمبر 2023 – أفاد باحثون في جامعة كانازاوا في مجلة “ساينس أدفانسز” كيف يمكنهم تسريع وتباطؤ عملية تحول التناظر في جزيئات حجرية كبيرة باستخدام ربط أيونات الفلزات القلوية.
الجزيئات التناظرية قد تمتلك خصائص وظيفية مختلفة بشكل ملحوظ رغم مشاركتها نفس الصيغة الكيميائية والهيكل تقريبًا. يمكن أن تكون الهياكل الجزيئية لنوعين من الجزيئات التناظرية – وهما المتماكبان – صورًا مرآتية لبعضهما البعض، حيث لا يمكن توضع أحدهما فوق الآخر بشكل مطلق كما لا يمكن ليدك اليمنى أن تلائم يدك اليسرى من الخلف. وفي حين أن العديد من الجزيئات التناظرية تُعتبر ثابتة تقليديًا كيميائيًا أو يسريًا، إلا أنه من المعروف أن الجزيئات القائمة على اللوالب قادرة على التحول استجابة للتغيرات في بيئتها. وقد أظهر الباحثون بقيادة شيغيهيسا أكيني في جامعة كانازاوا كيف يمكن للتغيرات البيئية أيضًا تسريع أو تباطئ عملية التحول التناظري، مما يوفر “نظامًا قابلاً للتحول بشكل مبرمج زمنيًا”.
ركز الباحثون دراستهم على “المعدنية السرية (R6)-LNi3“، وهي جزيئة عضوية تتضمن ذرات معدنية في هيكل جزيئي شبيه بالقفص يمكن أن توجد في إحدى صورتين مميزتين هما النوع P أو النوع M (اليميني واليساري على التوالي) (الشكل 1). في حالتها النقية، يكون لدى (R6)-LNi3 نسبة مفضلة للنوع P إلى النوع M تبلغ 12:88. وبدءًا من نسبة 50:50، ستقوم الجزيئات بالتبديل بين شكل وآخر مع تفضيل للتبديل نحو النوع M لتلبية تلك النسبة. قام الباحثون بقياس هذا التغير في النسبة باستخدام طيف الرنين النووي والطيف الدائري. ومع ذلك، فإن إضافة أيون معدن قلوي إلى المحلول الخاص بـ (R6)-LNi3 يمكن أن تغير هذا التفضيل بحافة وسرعة تعتمد على أي أيون معدني يتم استخدامه.
يعزو الباحثون اختلاف معدلات ونسب التحول إلى اختلافات في ثوابت الربط ليس فقط بين الأيون المعدني والشكلين من الجزيئات ولكن أيضًا ثابت الربط الافتراضي للجزيئات المتحولة بين الشكلين. كان الربط بين أيون السيزيوم والجزيئات من النوع P أكثر من 20 مرة من ذلك مع النوع M، لذلك استقر المحلول في النهاية على نسبة أعلى من النوع P بنسبة P:M تبلغ 75:25 خلال 21 ساعة. كانت النسبة النهائية مع أيون الروبيديوم مماثلة أيضًا مائلة نحو النوع P وبلغت 72:28 ولكن خلال 100 دقيقة فقط. أما مع أيون البوتاسيوم، فكانت نسبة التوازن أقل قليلاً وبلغت 68:32 وتحققت خلال دقيقة واحدة فقط، أي بسرعة أكبر بثلاث مرات من أيون السيزيوم (الشكل 2). يعزو الباحثون هذه السرعة إلى ثابت الربط الافتراضي الكبير للجزيئات المتحولة.
أما بالنسبة للأيونات الأصغر حجمًا – الليثيوم والصوديوم – فلم تتغير النوع المفضل للجزيئات بالفعل ولكن تم الوصول إلى النسبة النهائية بسرعة أكبر بكثير. وهو أول بحث يظهر أن مثل هذا التحول التناظري يمكن تسريعه وتباطؤه عن طريق ضبط بيئة الجزيئات.
“يمكن أن يوفر هذا البحث نظرة جديدة في تطوير ساعة جزيئية قابلة للبرمجة زمنيًا حسب الطلب لتقنيات كيميائية جديدة للجيل القادم”، حسبما خلص البحث، مشيرًا إلى تقنيات محتملة في المستقبل مثل جهاز ذاكرة يمكن التحكم في وقت معالجة المعلومات الكيميائية فيه، فضلاً عن مستشعرات تناظرية يمكن تحويل انتقائيتها حسب الظروف.
الصورة الجذابة: جزيء ذو شكل قفص يتحول من اليساري إلى اليميني عند دخول أيون معدني إلى تجويفه الداخلي. تختلف سرعة التحول بشكل كبير يصل إلى 1000 مرة حسب حجم الأيون المعدني (K+، t1/2 = 11 ثانية؛ Cs+، t1/2 = 11100 ثانية ≈ 3 ساعات)، إكبال وآخرون، ساينس أدفانسز 9، eadj5536 (2023).
الشكل 1: الرسوم البيانية الهيكلية للأشكال P و M من المعدنية السرية اللولبية (R6)-LNi3، التي لديها موقع ربط للأيونات المعدنية. يعتمد معدل تحول P/M بشكل كبير على الأيونات المعدنية، إكبال وآخرون، ساينس أدفانسز 9، eadj5536 (2023).
الشكل 2: تحول النوع M إلى النوع P بإضافة الأيونات المعدنية. تسبب إضافة أيون السيزيوم تحول M → P ببطء في حين تسبب إضافة أيون البوتاسيوم تحول M → P سريعًا، إكبال وآخرون، ساينس أدفانسز 9، eadj5536 (2023)
المصطلحات
الجزيئات التناظرية
تأتي الجزيئات التناظرية في نوعين أو متماكبين يمثل أحدهما صورة مرآتية للآخر، ولا يمكن توضع أحدهما فوق الآخر. غالبًا ما يشار إلى نوع الجزيء باعتباره “يدويته”، حيث لا يمكن ليدك اليمنى أن تلائم يدك اليسرى من الخلف.
(R6)-LNi3
تمثل الجزيئة (R6)-LNi3 معدنية سرية. يشير مصطلح “السرية” إلى خاصية الجزيء الشبيهة بالقفص التي يمكن أن تحتوي على ذرات أخرى. كما يضم الجزيء أيونات نيكل (II) وهيكلاً لولبيًا يمنحه خاصية التناظر.
طيف الرنين النووي
يدرس
