Det har vist sig ganske svært at få molekyler til at slå knuder på sig selv. DNA og visse proteiner kan gøre det helt naturligt, men det er småt med menneskeskabte molekyleknuder.
Nu har forskere fra University of Manchester i England imidlertid fundet ud af, hvordan de kan skabe en ganske lille, men forholdsvis kompleks knude af atomer.
Forskerne udviklede en særlig teknik til at få små tråde af atomer til at flette sig ind imellem hinanden, og resultatet er en lukket streng af 192 atomer, der krydser sig selv otte gange. Knuden er beskrevet i en artikel i det videnskabelige tidsskrift Science.
\ Læs mere
Bare 20 nanometer bred
Knuden måler kun 20 nanometer eller 20 milliontedele af en millimeter, og den er interessant i sig selv, fordi det er den mest komplekse molekylære knude, der er skabt kunstigt. Hidtil har rekorden lydt på fem krydsninger i en knude, der kaldes en pentafoil, men i den nye knude er der altså otte overlap.
»Det er super spændende, at de kan lave sådan en knude på nanoniveau,« siger Jørgen Ellegaard Andersen, der er professor i topologi (læren om geometriske objekters egenskaber) ved Aarhus Universitet og ekspert i knuder.
»Man kan nemt forestille sig, at den kombinatoriske måde, de gør tingene på, kan udbredes til at lave langt mere komplekse knuder.«
\ Læs mere
Knuderne er sat i system
Knudeteori er en matematisk disciplin, og her er knuderne sat i system. Den nye nanoknude er af typen 819 – den er nummer 19 i rækken af knuder, der har otte under- eller overkrydsninger.
Ud af cirka seks milliarder kendte knudetyper er det kun den fjerde, det er lykkedes at skabe ved hjælp af små molekyler.
\ Hvad er en knude?
Matematisk set er en knude en lukket kurve i rummet. Alle knuder kan formes ved at flette tråde og lade deres ender mødes.
Knuden hører til torus-knuderne, der er meget symmetriske. Men blandt knudeforskere er de mere asymmetriske og komplekse såkaldte hyperbolske knuder mere spændende, og sådan nogle kunne Jørgen Ellegaard Andersen godt tænke sig at se i nanostørrelse.
»De spiller en central rolle i matematik og fysik. Næsten alting er hyperbolsk, når det kommer til stykket – de hyperbolske knuder er altdominerende blandt knuder. Men der må også være muligheder i den teknik, de britiske forskere har brugt. Det er flot, at de kan lave en så kompliceret knude nu, men man skal også kunne lave hyperbolske knuder med vilkårligt højt krydsningstal,« siger han.
Vævning kan give nye materialer
Den lille nye knude kan ikke bruges til så meget i sig selv, men det kan den nanoteknologi, der har gjort det muligt at lave den.
Forskerne brugte ioner (elektrisk ladede atomer) af jern og klor til at få molekyle-trådene til at falde på plads af sig selv, og de håber, de kan udvikle nye, nyttige materialer med teknikken.
»At binde knuder svarer til at væve, så de teknikker, der er udviklet til at slå knuder på molekyler, bør også kunne bruge til at sammenvæve molekylære tråde,« udtaler professor David Leigh fra University of Manchester i en pressemeddelelse.
»For eksempel er skudsikre veste fremstillet af kevlar, en form for plast, der består af stive, molekylære stænger, der ligger parallelt med hinanden. Sammenvævede polymer-tråde kan potentielt bruges til langt stærkere, lettere og mere fleksible materialer, på samme måde som vi allerede kender det fra tråde, der væves sammen.«
Knuder binder molekyler sammen
Jørgen Ellegaard Andersen kan da også se store perspektiver i nanoknuderne.
»Den store drøm inden for nanoteknologi er jo at lave bittesmå robotter, der kan alle mulige ting. Her kunne man forestille sig, at man kunne bruge molekylære knuder til at låse atomare systemer sammen. Det gælder om at udbygge sin værktøjskasse, så man kan lave flere forskellige mekaniske konstruktioner i nanoskala.«
Også inden for medicinsk forskning og i forhold til at bygge en kvantecomputer kan knuder være nyttige, fortæller han. Selv prøver han at forstå, om visse proteiner faktisk har en lille kvantecomputer siddende i sig – om proteinernes komplicerede form, der dannes på grund af de naturlige knuder, som proteinet slår på sig selv, giver anledning til særlige kvantetilstande.
»Naturen har allerede skabt molekyler med masser af knuder i – med 100, 200 eller op til 500 kryds. Så der er lang vej igen, før vi kan gøre det lige så godt,« slutter han.
