Nieuw model om moleculaire beelden met atomaire resolutie te helpen interpreteren

Er zijn meerdere manieren om 2D- en 3D-modellen van atomen en moleculen te maken. Met de komst van de nieuwste apparaten die monsters op atomaire schaal kunnen afbeelden, hebben wetenschappers ontdekt dat traditionele moleculaire modellen niet passen bij de beelden die ze zagen. Onderzoekers hebben een betere manier bedacht om moleculen te visualiseren op basis van deze traditionele methoden. Hun modellen passen goed bij de beeldgegevens die ze hebben verkregen, en ze hopen dat de modellen de intuïtie van scheikundigen zullen helpen om de moleculaire beelden te interpreteren.

Iedereen die dit leest, zal waarschijnlijk bekend zijn met traditionele ball-and-stick-modellen van atomen en moleculen, waarbij ballen van verschillende groottes en kleuren verschillende atoomkernen vertegenwoordigen, en sticks vertegenwoordigen eigenschappen van bindingen tussen atomen. Hoewel dit nuttige leermiddelen zijn, zijn ze veel eenvoudiger dan de realiteit die ze weerspiegelen. Chemici hebben de neiging om modellen te gebruiken zoals het Corey-Pauling-Koltun (CPK) -model, dat vergelijkbaar is met het bal-en-stokmodel, maar met de ballen opgeblazen zodat ze elkaar overlappen. Het CPK-model vertelt chemici veel beter over de manier waarop de componenten van het molecuul op elkaar inwerken dan het bal- en stokmodel.

In de afgelopen jaren is het eindelijk mogelijk geworden om niet alleen de structuren van moleculen vast te leggen, maar zelfs hun beweging en interacties vast te leggen in video’s dankzij technieken zoals atomaire resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (AR-TEM). Dit wordt soms “filmmoleculaire wetenschap” genoemd. Met deze sprong in ons vermogen om het onzichtbare te visualiseren, worden ball-and-stick- of CPK-modellen echter een belemmering in plaats van een hulp. Toen onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo probeerden deze modellen in te passen in de beelden die ze aan het bekijken waren, stuitten ze op enkele problemen.

“Het bal-en-stokmodel is te eenvoudig om nauwkeurig te beschrijven wat er in onze beelden gebeurt”, zegt professor Koji Harano. En het CPK-model, dat technisch de voortplanting van elektronenwolken rond de .-band laat zien atoomkern, zo compact dat sommige details niet te onderscheiden zijn. De reden is dat geen van deze modellen de ware atoomgroottes laat zien die de afbeeldingen van AR-TEM laten zien.”

In de AR-TEM-afbeeldingen is de grootte van elk atoom direct gerelateerd aan het atoomgewicht van dat atoom, eenvoudigweg bekend als Z. Dus professor Ichi Nakamura en zijn team kozen ervoor om het bal-en-stokmodel aan te passen aan hun afbeeldingen, waar elke kern zich in het model bevindt. De grootte van het model werd bepaald op basis van het Z-nummer van de kern die het vertegenwoordigde. , en noemde het het Z-gekoppelde (ZC) moleculaire model. Ze behielden hetzelfde kleurenschema dat werd gebruikt in het CPK-model, dat oorspronkelijk werd geïntroduceerd door de Amerikaanse chemici Robert Curie en Linus Pauling in 1952.

“Een foto zegt meer dan duizend woorden, en je kunt AR-TEM-afbeeldingen vergelijken met de allereerste afbeelding van een zwart gat”, zei Nakamura. “Beide laten een realiteit zien die nog nooit eerder is gezien, en beide zijn veel minder levendig dan mensen zich waarschijnlijk zouden kunnen voorstellen. Daarom zijn modellen zo belangrijk, om de kloof tussen fantasie en realiteit te overbruggen. Hopelijk is de Z-gekoppelde molecuul Model zal helpen chemici Elektronenmicroscopie-analyse Afbeeldingen Gebaseerd op intuïtie zonder de noodzaak van enige theoretische berekeningen, opent een nieuwe wereld van “filmische moleculaire wetenschap”.

De studie is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences.