Een piepkleine keten van goud-, koolstof- en fosforatomen legde zichzelf in een knoop. Het is de kleinste en strakste knoop die we ooit hebben gezien.

De kleinste en strakste knoop die ooit is gemaakt, heeft de vorm van een klaverblad: een knoop die zichzelf drie keer kruist. De knoop bevat slechts 54 atomen. Daarvan vormen zes goudatomen de ruggengraat.

Al eeuwenlang bestuderen wiskundigen knopen, maar pas sinds aan het eind van de jaren tachtig zijn er kleine knopen op molecuulniveau gemaakt. Sindsdien blijkt dat deze verstrengelde ketens van atomen interessante eigenschappen vertonen. Zo hebben ze goed gedefinieerde structuren, die als legoblokjes in elkaar passen.

Tijd 'vertraagt' bij het zien van iets gedenkwaardigs
LEES OOK

Tijd 'vertraagt' bij het zien van iets gedenkwaardigs

Tijdens het kijken naar een opvallende afbeelding lijkt de tijd langzamer te gaan, ontdekten Amerikaanse hersenwetenschappers.

Backbone crossing ratio

Hoe strak een knoop is, wordt bepaald door het aantal atomen in de knoop te delen door het aantal kruisingen van de keten. Zo krijg je een maat die de backbone crossing ratio heet. Hoe kleiner de verhouding tussen het aantal atomen in de knoop en het aantal kruisingen, hoe strakker de knoop.

In 2020 werd de vorige kleinste knoop gerapporteerd. Deze bestond uit een keten van 69 atomen die zichzelf drie keer kruiste. Scheikundige Richard Puddephatt van de Universiteit van Western Ontario in Canada en zijn collega’s maakten nu een knoop van 54 atomen lang met drie kruisingen. De backbone crossing ratio van de knop is 18. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Catenaan

Voor de knoop gebruikten Puddephatt en collega’s een vloeistof met daarin goud-acetylide. Dat is een molecuul dat bestaat uit twee goudatomen die via koolstofringen verbonden zijn. Het team mengde deze vloeistof met een vloeistof vol difosfine-liganden, moleculen van fosforatomen die door andere koolstofringen verbonden zijn.

Het team ontdekte eerder dat het mengen van deze twee vloeistoffen een catenaan produceert. Dat is een keten die bestaat uit twee of meer ringvormige moleculen. De catenaan in het mengsel bestond uit twee in elkaar gehaakte moleculen, en bevatte twee goudatomen. Er was echter nog geen sprake van knopen.   

Nu hebben de onderzoekers de producten in het mengsel onderzocht met behulp van röntgenkristallografie. Ze ontdekten een aantal klaverbladknopen, die bestaan uit drie aan elkaar gekoppelde catenanen en zes goudatomen.

De structuur van de recordbrekende 54-atomige klaverbladknoop bestaat uit drie catenaanringen die aan elkaar gekoppeld zijn. De knoop bevat goud- (rood), fosfor- (paars), en zuurstofatomen (roze). Beeld: Zhiwen Li et al. 

Toevalstreffer

‘We hebben veel combinaties gemaakt van goud-acetyliden en fosfine-liganden, maar ze hebben nog nooit eerder een klaverbladknoop opgeleverd’, zegt Puddephatt. ‘We hadden ook niet voorspeld dat die in dit geval zouden ontstaan, dus het was een toevalstreffer.’

Het is onduidelijk waarom de catenaanringen een knoop gevormd hebben, zegt de onderzoeker. ‘Het is een behoorlijk ingewikkeld systeem en eerlijk gezegd weten we niet hoe het gebeurt’.

Als we begrijpen hoe de knoop ontstaat, kunnen we mogelijk complexere structuren maken. Daarbij kunnen we gebruik maken van het feit dat goudatomen geneigd zijn aan elkaar te plakken, zegt scheikundige Jonathan Nitschke van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk. ‘Begrijpen hoe moleculaire knopen ontstaan, is ook relevant voor biologische systemen’, zegt Puddephatt. ‘Omdat eiwitten vaak knopen vormen op manieren die we nog niet goed begrijpen’.

Overigens moet het team de natuurkundige eigenschappen van de knoop nog verder onderzoeken. Vaak hebben goudhoudende verbindingen interessante optische kenmerken, zoals de weerspiegeling, die gebruikt kunnen worden in optische systemen, zegt Puddephatt. 

Het valt te bezien of wetenschappers nog kleinere knopen gaan maken. Volgens theoretische berekeningen kunnen knopen niet kleiner zijn dan ongeveer 50 atomen, zegt Puddephatt. ‘Onze knoop zit redelijk dicht bij die limiet.’