Wetenschappers creëren de strakste knoop ter wereld: maar het is de stof waarmee het gemaakt is die buitengewoon is

door Janine

26 Januari 2024

Knopen vertegenwoordigen een fundamenteel element in het dagelijks leven, maar ook een interessant concept vanuit filosofisch en wetenschappelijk oogpunt. Er bestaat bijvoorbeeld een wiskundige theorie over knopen, en verschillende onderzoekers zijn tot de conclusie gekomen dat sommige knopen uit heel weinig atomen bestaan. Totdat we bij het team komen dat een record heeft gebroken en de strakste knoop ter wereld heeft gecreëerd: slechts 54 atomen.

Steeds strakker wordende knopen, met recordbrekende resultaten​

Exhibit made by Estes Objethos Atelier, photo by Rodrigo.Argenton/Wikimedia Commons - CC BY-SA 4.0 DEED

Knopen die worden verkregen door moleculaire draden op verschillende kruispunten te weven, worden al enkele jaren in de scheikunde besproken. In 2017 heeft een team van de Universiteit van Manchester bijvoorbeeld een nog nooit eerder geziene knoop verkregen die bestaat uit acht kruispunten in een gesloten circuit van 192 atomen. Het doel was destijds heel duidelijk, net als nu: het creëren van geavanceerde materialen die licht, sterk en flexibel zijn. Kortom: de zoektocht naar de strakste knopen is geen doel op zich, maar kan repercussies hebben in het onderzoek en in het echte leven. Zoals herhaald door professor David Leigh, hoofdauteur van het onderzoek, werden de knopen gemaakt door moleculaire draden rond metaalionen te vlechten, met kruisingen die lijken op breien. En over de gevolgen beweert hij:

Kogelvrije vesten zijn gemaakt van Kevlar, een plastic gemaakt van stijve moleculaire staven die in een parallelle structuur zijn uitgelijnd. Het vlechten van polymeerdraden heeft echter het potentieel om veel sterkere, lichtere en flexibelere materialen in de omgeving te creëren.

De strakste knoop ter wereld gemaakt in het laboratorium: het heeft slechts 54 atomen

Pexels

Slechts drie jaar na het werk van de onderzoekers uit Manchester doet een team van Chinese en Amerikaanse wetenschappers iets wat nog nooit eerder is vertoond. In het kader van een onderzoek naar moleculaire knopen slagen ze erin om een ketting van 69 atomen drie keer over zichzelf heen te leggen, waardoor de strakste knoop wordt gecreëerd die ooit is gezien. En overtreffen daarmee het buitengewone resultaat van 2017. Tegelijkertijd realiseren de onderzoekers zich dat de verhouding tussen het aantal atomen en kruisen gerelateerd is aan de sterkte van de moleculaire knoop. Hoe lager deze verhouding, hoe sterker de knoop.

Er gaan een paar jaar voorbij en hetzelfde Chinese team kondigt in een recent onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, aan dat het dat record heeft verbroken. In het laboratorium heeft het namelijk een moleculaire knoop gemaakt die bestaat uit 54 atomen met drie kruizen, waardoor het 's werelds strakste knoop is. Maar hoe was dit mogelijk?

Hoe werd de strakste knoop ter wereld gemaakt?

Ll0103/Wikimedia Commons - CC BY-SA 4.0 DEED

Kortom, per ongeluk. Het Chinees-Amerikaanse team dat had gewerkt aan 's werelds vorige strakste knoop, was in het laboratorium bezig met het maken van metaalacetyliden. En door de goudacetylide te verbinden met een difosfinisch ligand, een koolstofstructuur, waren ze in staat om een knoop met drie kruisverbindingen te maken in plaats van een keten. Afgezien van de chemie is dit in feite de strakste knoop ter wereld, omdat hij uit 54 atomen bestaat. Als we teruggaan naar de verhouding tussen het aantal atomen en het aantal kruisen, was dat in het geval van 2020 63, in dit geval is het 18. In de praktijk is de nieuwe knoop die in het laboratorium is gemaakt veel sterker dan de vorige.

Zoals we al zeiden, heeft het creëren van steeds kleinere moleculaire knopen aanzienlijke gevolgen voor het maken van betere materialen. Tegelijkertijd kan het ons helpen de microscopische knopen in ons genetisch erfgoed, RNA en eiwitten, beter te begrijpen. Of om nog een klein record te verbreken.