En esta imagen de superficie potencial, la curva roja es una vía de reacción. Los puntos rosados son los BBP óptimos, y los puntos negros son los estados mínimo y de transición. Las líneas verdes son los puntos BBP para todas las posibles trayectorias de Newton. Crédito:Publicaciones AIP
Los desarrollos recientes en microscopía de fuerza atómica han permitido a los investigadores aplicar fuerzas mecánicas a moléculas individuales para inducir reacciones químicas.
Un equipo de investigación de España y Alemania ha desarrollado un algoritmo único en su tipo que determina la fuerza mínima necesaria para alcanzar el punto óptimo de ruptura de enlaces (BBP) a nivel molecular para inducir mecánicamente una reacción química. Informan sus hallazgos esta semana en La Revista de Física Química .
El algoritmo se puede aplicar a cualquier molécula, incluyendo moléculas biológicas como proteínas, así como moléculas inorgánicas. Su investigación tiene implicaciones para numerosas aplicaciones, incluyendo máquinas moleculares, polímeros mecánicamente resilientes y autorreparables, Materiales sensibles al estrés y diseño de catalizadores. El algoritmo también se puede utilizar para explorar cómo los campos eléctricos externos pueden catalizar y controlar reacciones químicas.
Al estudiar los procesos mecanoquímicos, los investigadores buscan la respuesta mecánica de la estructura de energía mínima de la molécula reactiva. A medida que aumenta la fuerza externa, la energía mínima y las estructuras del estado de transición en la superficie de energía potencial modificada por la fuerza se vuelven idénticas y la estructura donde esto ocurre es la BBP buscada.
Configuración molecular del BBP óptimo del 1, Reordenamiento de desplazamiento H 2-sigmatrópico del ciclopentadieno. Las flechas corresponden a los componentes del gradiente en este punto. Crédito:Publicaciones AIP
"Nuestro trabajo destaca que existe otro conjunto de puntos importantes en la superficie de energía potencial de un sistema dado, a saber, el BBP, que debe tenerse en cuenta para las aplicaciones de la mecanoquímica, "dijo Wolfgang Quapp, un coautor del artículo que agregó que BBP es un nuevo concepto en mecanoquímica.
Los BBP óptimos de una superficie de energía potencial son cruciales, según Quapp, porque proporcionan información sobre la forma en que se deben aplicar las fuerzas de tracción para desencadenar transformaciones químicas con la mayor eficiencia posible utilizando la menor cantidad de fuerza.
El vínculo, La flexión y la torsión de una molécula tienen una rigidez variable. Por lo tanto, determinar el andamio portador de fuerza de una molécula, predecir, por ejemplo, el punto de ruptura del enlace en una molécula sobreestirada, significa que deben probarse diferentes direcciones de la fuerza externa.
"Nuestro algoritmo permite a los investigadores identificar qué parte de una molécula es más susceptible al estrés mecánico, y, por lo tanto, el algoritmo es un paso significativo en el diseño de formas más eficientes de aprovechar la energía mecánica para activar reacciones químicas, ", Dijo Quapp." La importancia del BBP óptimo reside en que proporciona la dirección y la magnitud óptimas de la fuerza de tracción. Esto requiere un algoritmo para encontrar fácilmente este tipo de puntos ".
El algoritmo se basa en las trayectorias de Newton, que provienen del método matemático de calcular ceros de una función. En el caso de BBP, las trayectorias de Newton están ubicadas cerca de la ruta de reacción de la reacción química en consideración.
