Kálmán Erika

A delhi vasoszloptól a molekuláris építészetig - a kémia új perspektívája

Jól illusztrálja az önszerveződés jelenségét G. Whitesides demonstrációs kísérlete. Polimer-olvadékot, amelybe stroncium-ferrit mágneses kompozitot adagolt, háromszög alakú, mindhárom oldalán azonos pólusú, állandó mágnesekkel körülvett konténerbe öntötte.

Animáció: Mágneses háromszögek önszerveződése

A megszilárdulás után olyan mintákat nyert, amelyek minden oldala azonos polaritású mágnesként viselkedik. Ezekből vékony (háromszög alakú) lapkákat vágott, amelyek vagy északi vagy déli sarkúak (az előállításuk során alkalmazott állandó mágnesek polaritásától függően). A különböző színre festett "északi" és "déli" mágnesek lassan keringtetett vízben úsztatva bizonyos idő elteltével önszerveződéssel szabályos mintázatba tömörültek. A demonstrációs kísérletben az összefüggő alakzat kialakulásához a kötést a mágneses erő, az illeszkedést a minták alakja biztosította.

Milyen erők vezérlik a molekuláris önszerveződést? A szerves molekulák többnyire kovalens kémiai kötéssel összekapcsolódó szén-, hidrogén-, oxigén-, nitrogén-, foszfor- és kénatomokból állnak. Ezek közül a molekuláris kapcsolatok kialakításában kiemelkedő szerepe van a magányos elektronpárokkal rendelkező nitrogén-, oxigén- és kénatomoknak. A magányos elektronpárok erős kölcsönhatást képesek kialakítani más molekulák nitrogén-, oxigén- vagy kénatomjaihoz kovalens kémiai kötéssel kapcsolódó hidrogén¬atomokkal, illetve fématomokkal vagy fémionokkal. Az első esetben hidrogénkötésről, a másodikban datív vagy koordinációs kötésről beszélünk.

16. ábra

A kölcsönhatásban az elektronpárral részt vevő atomok az elektrondonorok, az azt befogadók az elektronakceptorok. A nitrogén-, oxigén- és kén- vagy fématomok mintegy mágnesként megjelölik a molekulákat. Ez a megjelölés az egyik alapja a molekuláris felismerésnek.

Természetesen ha a molekula több erős kölcsönhatásra képes donor, illetve akceptor atomi centrummal rendelkezik, akkor a megjelölés többpontos lesz.

A molekulahalmazok alakjának kialakulásában szerepe van még a gyenge, van der Waals-féle vonzó és taszító erőknek is.

17. ábra

18. ábra

Animáció: Nanoméretű vízcseppek ütközésének szimulációja

Látható ez a számítógépes szimulációval készült animáción is, amely két vízcsepp ütközését mutatja be a molekulák között hatóerők pontos számítása alapján. Az eltérő szín csak arra szolgál, hogy megkülönböztesse a molekulákat. Bár a molekulahalmazok flexibilisek, molekuláikat halmazba rendező hidrogénkötéseik még az ütközés után is csak lassan szakadnak el.