هنگامی‌که آرایه‌ای از مولکول‌ها در یک فضای محدود قرار می‌گیرند، تنش‌هایی از جانب مولکول‌های همسایه و دیواره‌ها به هر مولکول وارد می‌شود که این تنش‌ها باعث انحراف ساختار پایدار سینتیکی و ترمودینامیکی مولکول شده و در نهایت منجر به تغییر انرژی واکنش‌های شیمیایی در آن می‌شود. بنابراین، هنگام ورود یک مولکول خارجی (مولکول مهمان) به فضاهای محدود موجود میان آرایه‌ای از مولکول‌ها، این مولکول با مولکول‌های موجود برخورد کرده و باعث تغییرات قابل توجهی در جهت‌گیری (orientation) ، برهم‌کنش (interaction) و انباشتگی (Assembly) آن‌ها می‌شود. بنابراین، امکان کنترل رفتار مولکول‌های مهمان با ایجاد تغییرات و اصلاحاتی در شکل و جنس مواد به‌کار رفته در دیواره فضاهای نانوساختار وجود دارد. فضاهایی که توسط اتم‌ها و مولکول‌های موجود ایجاد می‌شود می‌توانند بسته به شکل خود، خواص مناسبی ایجاد کنند. در اواخر قرن گذشته میلادی تمرکز اصلی پژوهشگران روی چارچوب‌های اَبَرمولکولی بود، اما در قرن بیست و یکم با خلق فضاهایی متنوع، بخش جدیدی از شیمی فضای نانو را معرفی کردند. شکل زیر شمایی از انواع فضاهای نانو را نشان می‌دهد.
نانوساختارهای متخلخل و شیمی اَبَرمولکولی (Supramolecular Chemistry)
طبق مطالب گفته شده، تخلخل‌های بسیار ریز در مقیاس نانومتری، نه تنها باعث افزایش چشم‌گیر نسبت سطح به حجم می‌شوند، بلکه هر کدام به‌تنهایی به‌عنوان یک فضای شیمیایی خاص شناخته شده و در تعیین خواص نهایی ماده تأثیر می‌گذارند. هم‌چنین، این فضای شیمیایی خاص می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر رفتار مولکول خارجی (مهمان) داشته باشد. این پدیده باعث به‌وجود آمدن یکی از اساسی‌ترین مباحث در شاخه پیشرفته‌ای از علم شیمی با عنوان شیمی ابرمولکول‌ها (Supramolecular Chemistry) شده است. شیمی ابرمولکولی به مطالعه مافوق مولکول‌ها می‌پردازد. به‌عبارت دیگر، شیمی ابرمولکولی، یک مولکول منفرد و ساختار خاصی از آن را بررسی نمی‌کند، بلکه تمرکز اصلی آن روی سیستم‌های مولکولی است. سیستم‌های مولکولی از تعدادی مجموعه مجزای مولکولی تشکیل می‌شوند که با یک‌دیگر برهم‌کنش دارند. برخلاف مباحث عمومی موجود در شیمی که مبتنی بر پیوندهای کووالانسی است، شیمی ابرمولکول‌ها بیشتر به برهم‌کنش‌های ضعیف‌تر و غیرکووالانسی بین مولکول‌ها می‌پردازد. مطالعه برهم‌کنش‌های غیرکوالانسی امکان فهم بسیاری از فرآیندهای زیستی مانند ساختار سلول‌ها و حتی نحوه عملکرد آن‌ها را فراهم می‌کند.
انواع برهم‌کنش‌های غیرکوالانسی موجود در شیمی ابرمولکول‌ها عبارتند از:
پیوند هیدروژنی ؛
که شامل جاذبه بین یک اتم هیدروژن با یک اتم الکترونگاتیو مانند نیتروژن، اکسیژن یا فلوئور است.
· پیوند کئوردیناسیونی ؛
که شامل تعدادی مولکول یا آنیون [لیگاند] به‌عنوان الکترون‌دهنده و یک فلز واسطه به‌عنوان الکترون‌گیرنده بوده و طی آن الکترون‌ها بین مواد الکترون‌دهنده و الکترون‌گیرنده رد و بدل می‌شوند.
· نیروی آب‌گریزی ؛
این نیرو به تمایل یک گونه غیرقطبی برای تجمع در محلول‌های آبی و حذف مولکول‌های آب موجود در میان خود اطلاق می‌شود.
· نیروهای وان‌دروالس ؛
حاصل از جاذبه بین مولکول‌های خنثی ناشی از ممان‌های دوقطبی موقت یا دائمی آن‌ها.
· برهم‌کنش‌های π-π ؛
که شامل نیروی جاذبه غیرکووالانسی بین حلقه‌های آروماتیک است.
· نیروی الکتروستاتیک ؛
که عبارتست از نیروی جاذبه بین بارهای مثبت و منفی مولکول‌ها.
شیمی مهمان و میزبان (Host-guest Chemistry)
یک مفهوم پرکاربرد در شیمی ابرمولکولی به‌شمار می‌رود و توصیف‌کننده تعدادی مولکول یا یون است که با ارتباط ساختاری خاص، توسط نیروهای غیرکووالانسی در کنار یک‌دیگر قرار گرفته‌اند. همان‌طور که پیش‌تر هم اشاره شد، پیوندهای غیرکووالانسی در حفظ ساختار سه‌بعدی مولکول‌های درشت مانند پروتئین‌ها و هم‌چنین در بسیاری از فرآیندهای زیستی که در آن‌ها مولکول‌های درشت به‌طور اختصاصی و موقت به یک‌دیگر متصل می‌شوند، نقش اساسی و کلیدی ایفا می‌کنند.
یکی از مطلوب‌ترین راهکارهای سنتز پایین به بالا در ساخت فضاهایی در مقیاس نانو، خود انباشتگی و خودسازمانی (Self-assembly & Self-organization) شیمیایی و تشکیل پیوندهای کئوردیناسیونی است که در سال‌های اخیر به‌عنوان یک فناوری جدید در سنتز نانومواد مورد توجه قرار گرفته است. خودانباشتگی، ارتباطی بین علوم شیمی، مواد و بیولوژی پدید آورده است. از لحاظ قدرت پیوند، پیوند کئوردیناسیونی قوی‌تر از پیوند هیدروژنی و ضعیف‌تر از پیوند کووالانسی است. در پیوند کئوردیناسیونی، اجزای مولکول‌های آلی و یون‌های فلزی به یک‌دیگر متصل شده و ساختارهای فضایی سازمان یافته و متنوعی را تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر، استفاده از این روش‌ها برای طراحی ساختارهایی با فضاهایی با خصوصیات شیمیایی منحصربه‌فرد صورت می‌گیرد. چنین فضاهای محدودی امکان مطالعه پدیده‌های جدید براساس تجمعات، فشارها و فعالیت‌های مولکولی را فراهم می‌کند. برای پیشرفت در این زمینه، نیاز به گسترش شاخه جدیدی از علم شیمی وجود دارد که امکان کنترل ساختار چنین فضاهایی را فراهم کند.
شکل زیر شمایی از عملکردهای مختلف فضاهای بسته را نشان می‌دهد.
در ادامه به چند مثال برای نشان دادن فضاهایی با قابلیت برهم‌کنش‌های ابرمولکولی پرداخته خواهد شد:
کریستال‌های کئوردیناسیونی با ساختارهای نامحدود؛
این کریستال‌ها از واکنش یون‌های فلزی (به‌عنوان پذیرنده) با لیگاند‌های آلی (به‌عنوان رابط) تشکیل می‌شوند. امکان ساخت فضاهایی با اندازه‌های مختلف متشکل از تعداد انگشت‌شمار و حتی ده‌ها مولکول در چنین کریستال‌هایی وجود دارد.
سطوح مواد توده‌ای (Bulk Material) و نانوذرات؛
این سطوح توانایی برهم‌کنش‌های خاص با مولکول‌ها را داشته و از این‌رو به‌عنوان فضای کئوردیناسیونی مناسب به‌شمار می‌روند.
فضای کئوردیناسیونی کمپلکس‌های فلزی موجود درون پروتئین‌ها؛
این فضاها جز فضاهای کئوردیناسیونی در نمونه‌های زیستی هستند که تا چندین سال گذشته ناشناخته بودند. به‌عنوان مثال، نحوه آرایش یون‌های آهن موجود در هموگلوبین امکان واکنش کنترل شده آن با مولکول‌های اکسیژن (به‌عنوان مولکول مهمان) را فراهم می‌کند. هموگلوبین یک نوع پروتئین موجود در گلبول‌های قرمز خون بوده و نقش آن حمل اکسیژن و دی‌اکسید کربن است.
*مطلب فوق با بهره گیری از مطالب سایت ستاد توسعه فناوری نانو نوشته شده است .
Instagram
Telegram
M-icon-aparat
