Dos vías divergieron en una síntesis química, y una molécula los tomó a ambos. Los químicos de la Universidad de Tokio han estudiado cómo los bloques de construcción moleculares pueden formar una jaula esférica o una hoja ultrafina que muestra algunas de las propiedades básicas de un material "inteligente" que puede responder a su entorno.

"Esta molécula es interesante porque construye diferentes estructuras dependiendo de las condiciones cuando alcanza el punto de bifurcación de su síntesis, ", dijo el profesor Shuichi Hiraoka del Departamento de Ciencias Básicas. Los intereses de investigación de Hiraoka se centran en cómo se unen las moléculas, incluido el ADN en células vivas o micelas, que se encuentran tanto en la naturaleza como en la industria cosmética.

El punto de bifurcación es una "bifurcación en el camino" de la vía de síntesis química donde las mismas moléculas precursoras pueden conectarse de dos formas diferentes para eventualmente formar diferentes estructuras finales. En la presente reacción, los precursores toman diferentes caminos dependiendo de la presencia o ausencia de una tercera molécula.

Las moléculas precursoras son átomos de metal paladio y una molécula orgánica:1, 4-bis (3-piridiloxi) benceno:hecho de tres anillos que pueden oscilar fácilmente entre una orientación en forma de S y en forma de C.

La tercera molécula cuya presencia o ausencia influye en el camino que toman los precursores es una molécula de anión cargada negativamente (ya sea nitrato o triflato).

En presencia del anión, la molécula orgánica toma la forma de C y una a la vez, cuatro de esos C se unen en dos juntas tóricas, encerrar el anión en una jaula esférica. Dos átomos de paladio sujetan las cuatro C juntas en la parte superior e inferior de la jaula.

Si el anión está ausente, la molécula orgánica cambia en forma de S y se conecta con otras moléculas en forma de S utilizando los átomos de paladio como enlaces. Finalmente, forman láminas planas de unos 4 nanómetros de espesor y hasta 5 micrómetros de diámetro.

Sin embargo, cuando los investigadores agregan el anión a la hoja completa, las moléculas se reorganizarán lentamente en la formación de la jaula.

"La hoja está demostrando algunas cualidades muy primitivas de un material llamado inteligente, uno que puede detectar y responder a su entorno. Este cambio de hojas de tamaño micrométrico a jaulas de tamaño nanométrico es un cambio estructural muy dramático, "dijo Hiraoka.

El equipo de investigación espera que su trabajo para comprender las propiedades químicas fundamentales de estas moléculas conduzca a la posibilidad de diseñar moléculas que puedan autoensamblarse y reorganizarse de forma independiente en función de las condiciones ambientales.

Los caminos dependen de la termodinámica y la cinética.

Las formaciones de láminas y jaulas son químicamente más estables de diferentes maneras. La formación de la jaula es termodinámicamente más estable, lo que significa que requeriría energía para salir de esa formación. La hoja es cinéticamente más estable que la jaula, lo que significa que las moléculas tardan en cambiar de posición. Los investigadores están entusiasmados de haber desarrollado un sistema artificial que contiene las complejidades de estas diferentes estabilidades.

"Las reacciones de autoensamblaje natural complicadas en los sistemas vivos a menudo tienen control cinético, "explica Hiraoka.

Las proteínas de los organismos vivos suelen estar atrapadas cinéticamente para permanecer en sus formaciones sanas, aunque sería más estable termodinámicamente si se agregaran en grupos inútiles.

En el sistema artificial que estudió el equipo de investigación de Hiraoka, cuando las moléculas precursoras forman jaulas, las moléculas permanecen en esa posición final porque es la disposición de energía termodinámica más baja.

"La reacción en la etapa inicial para formar la jaula es muy rápida, lo que nos dice que el anión está actuando como una plantilla cinética para que los precursores formen la jaula, "dijo Hiraoka.

Sin embargo, la reacción para formar la hoja avanza más lentamente y los investigadores dicen que las moléculas quedan atrapadas cinéticamente en la formación de la hoja sin la presencia del anión para proporcionar una plantilla que las empuja hacia la formación de la jaula.

Los investigadores planean continuar estudiando cómo se controla la vía de autoensamblaje y cómo manipular la influencia del efecto cinético y la estabilidad termodinámica.