Wat is een zoutbrug in de chemie?
De term zoutbrug heeft twee verschillende toepassingen in de chemie. Het oorspronkelijke gebruik beschreef een elektrisch geleidende gelverbinding tussen twee halve cellen van een voltaïsche cel op het gebied van elektrochemie. De tweede is het gebruik van een extern, enigszins polair molecuul om een brug te maken tussen secties van een macromolecuul die elkaar zouden afstoten zonder de tussenkomst van een zoutbrug. Een nieuw veld, supramoleculaire chemie, in praktische ontwikkeling sinds ongeveer 1960, maakt gebruik van zoutbruggen om zeer gedetailleerde structuren te creëren.
In een voltaïsche cel, ook wel een galvanische cel genoemd, vindt een elektrochemische reactie plaats op twee afzonderlijke fysieke locaties die halfcellen worden genoemd. De helft van een oxidatiereducerende (redox) reactie vindt plaats in elke halve cel. Alessandro Volta demonstreerde het basisprincipe door het stapelen van zink- en zilveren schijven, gescheiden door in zout water verzadigde papieren schijven, de brug, rond 1800. Door verschillende van deze zink-brug-zilveren schijfsets te stapelen, kon hij een elektrische schok detecteren toen hij beide uiteinden tegelijkertijd aanraakte.
Een echte batterijcel werd in 1836 gebouwd door John Frederick Daniell, die zink en koper gebruikte. Een strook van elk metaal werd ondergedompeld in een oplossing van zijn eigen metaalion. De twee strips waren verbonden door draad en de twee oplossingen door een poreuze keramische buis gevuld met zout water, de zoutbrug.
Als er geen zoutbrug in een batterijcel wordt gebruikt, vindt de reactie direct plaats en kan de elektronenstroom niet door de draad worden geleid. De zoutbrug geleidt alleen de lading op het ion via zijn zoutionen. Geen ionen van de redoxreactie reizen door de brug.
Supramoleculaire chemie biedt een innovatieve benadering op het gebied van nanotechnologie. Nanoschaalstructuren, 1 tot 100 nanometer (0,00000004 tot 0,0000004 inch), worden meestal vervaardigd door grotere structuren te verkleinen met behulp van elektronenbombardement of andere technieken. Supramoleculaire chemie probeert structuren te creëren door de manier van zelfassemblage van de natuur na te bootsen. Zelfassemblage vindt plaats wanneer een macromolecuul zichzelf bouwt door basiscomponenten in een stapsgewijze procedure toe te voegen. Het krijgt nieuwe eenheden, waardoor het molecuul op zijn beurt vouwt en buigt op een manier om de volgende component aan te trekken en te binden, waardoor uiteindelijk een precieze, driedimensionale structuur wordt bereikt.
Deoxyribonucleïnezuur (DNA) wordt zelf geassembleerd in de cel door een vouw- en opnieuw vouwproces. Terwijl elke vouw wordt gemaakt, worden nieuwe functionele groepen, zijgroepen van meer reactieve atomen, in een positie van aantrekking of afstoting geplaatst. Terwijl de moleculen bewegen om de functionele groepen dichterbij of verder uit elkaar te plaatsen, wordt een vouw gemaakt. Waterstofbinding, een zwakke intermoleculaire of, in het geval van macromoleculen, een zwakke intramoleculaire aantrekking tussen enigszins negatieve hydroxylgroepen en enigszins positieve protongroepen leidt het vouwproces.
Soms moet een vouw of buiging optreden in een natuurlijk of synthetisch macromolecuul op een plaats waar milde afstotende krachten bestaan. Een tweede klein molecuul, een zoutbrug genoemd, kan zichzelf op de juiste plek uitlijnen, waar het de tegengestelde krachten kan overbruggen. In plaats van de vouw open te duwen, zoals het niet-gebrugde gedeelte doet, maakt de zoutbrug de opening en cinches in het macromolecuul kleiner. De selectie van de zoutbrug is zeer veeleisend; een exacte pasvorm is fysiek en belast met distributie vereist. Supramoleculaire chemici bestuderen natuurlijke macromoleculen om zoutbruggen te begrijpen en te gebruiken bij de constructie van nuttige nanostructuren.