המנגנון שבו נקשר חמצן למטאלו-פורפירינים מהווה תהליך חיוני באורגניזמים הנושמים חמצן וכן בתליכי קטליזה
המנגנון שבו נקשר חמצן למטאלו-פורפירינים מהווה תהליך חיוני באורגניזמים הנושמים חמצן. הבנת המנגנון, שבאמצעותו מולקולות גז קטנות נקשרות כימית לתצמיד מתכתי, חשובה גם עבור תהליכי קטליזה ובתחום של חיישנים כימיים. כאשר בוחנים את מנגנוני הקשירה הללו, מדענים משתמשים בטבעות פורפירין בעלות ליבה של אטום ברזל או קובלט.
מאפיין חשוב של טבעות פורפירינים (המונח בוויקיפדיה) הינו הגמישות המרחבית שלהן. מחקר עדכני הראה כי לכל תצורה גיאומטרית מוגדרת של מטאלו-פורפירינים (פורפירינים המכילים מתכת) ישנה השפעה שונה על התפקוד שלהן. בהתאם למידע המדעי הקיים, החוקרים ציפו כי רק מולקולה אחת של פחמן חד-חמצני תיקשר לאטום המתכתי המרכזי. אולם, ניסויים מפורטים בעזרת מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) שנעשו ע”י החוקר Knud Seifert חשפו כי, למעשה, שתי מולקולות גז מתמקמות בין אטום המתכת המרכזי ובין שני אטומי החנקן הניצבים ממול. במצב זה, מבנה התצמיד הוא מעין אוכף, שבו מולקולות הגז תופסות את העמדה של הרוכב.
החשיבות של תצורת האוכף הפכה גלויה לעין בעקבות חישובים תיאורטיים שבוצעו ע”י חוקרת מאוניברסיטת ליון. הניתוח התיאורטי של החוקרת סייע לחוקרים להבין באופן מפורט את מנגנון הקישור החדש. בנוסף, המודל הראה כי התצורה של האוכף המולקולארי נותרת יציבה, אפילו לאחר קישורן של שתי מולקולות הגז לפורפירין.
הפורפירינים הגיבו באופן שונה לחלוטין כאשר החוקרים המירו את הפחמן החד-חמצני במולקולה הנקשרת חזק יותר, חד-תחמוצת החנקן. כצפוי, מולקולה זו נקשרה ישירות לאטום המתכת המרכזי כאשר רק מולקולה אחת מתמקמת בכל טבעת פורפירין. מערך זה מוביל להשפעה משמעותית על המבנה האלקטרוני של מולקולת הנשא, ותצורת האוכף הופכת שטוחה יותר. כלומר – פורפירינים מגיבים באופן שונה לחלוטין עם סוגים שונים של גז – ממצא שיכול להיות חשוב עבור פיתוח יישומים אפשריים, כגון חיישנים.
מסביר אחד מהחוקרים: “החידוש של הממצאים שלנו הוא בכך שהצלחנו להראות, לראשונה אי-פעם, את מנגנון הקישור ברמה המולקולארית. אנו מסוגלים אפילו להעביר באופן בררני מולקולות גז פרטניות מפורפירין אחד לשני.”
קבוצת המחקר מתכוונת להסביר בעזרת ממצאים אלו את התהליכים הכימיים המתרחשים ע”ג משטחים בננו-מבנים. כאשר לשאלות בסיסיות אלו יימצאו הפתרונות, החוקרים יפנו לאתגרים חדשים: מה ההשפעה של האטום המרכזי? כיצד משתנה אופן הקישור בתצורה מישורית? וכיצד ניתן יהיה להשתמש במערכות כאלו על-מנת לפתח זרזים יעילים וחיישנים בעזרת מעברי מטען מבוקרים.
