Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft een reactiepad ontdekt dat exotische lagen met semi-regelmatige structuren produceert. Dit soort materialen zijn interessant omdat ze vaak buitengewone eigenschappen hebben. In het proces, eenvoudige organische moleculen worden omgezet in grotere eenheden die het complex vormen, halfregelmatige patronen. Met experimenten bij BESSY II in Helmholtz-Zentrum Berlijn kon dit in detail worden waargenomen.

Slechts enkele geometrische basisvormen lenen zich om een ​​oppervlak zonder overlappingen of openingen te bedekken met uniform gevormde tegels:driehoeken, rechthoeken en zeshoeken. Met twee of meer tegelvormen zijn aanzienlijk meer en aanzienlijk complexere regelmatige patronen mogelijk. Dit zijn zogenaamde Archimedische tessellations of tilings.

Materialen kunnen ook tegeleigenschappen vertonen. Deze constructies worden vaak geassocieerd met zeer bijzondere eigenschappen, bijvoorbeeld ongebruikelijke elektrische geleidbaarheid, speciale lichtreflectie of extreme mechanische sterkte. Maar, het produceren van dergelijke materialen is moeilijk. Het vereist grote moleculaire bouwstenen die niet compatibel zijn met traditionele productieprocessen.

Complexe vlakvullingen door zelforganisatie

Een internationaal team onder leiding van professoren Florian Klappenberger en Johannes Barth op de leerstoel Experimentele Fysica van TUM, evenals professor Mario Ruben aan het Karlsruhe Institute of Technology, hebben nu een doorbraak gemaakt in een klasse van supramoleculaire netwerken:ze hebben organische moleculen laten combineren tot grotere bouwstenen met een complexe betegeling die op een zelfgeorganiseerde manier is gevormd.

Als uitgangsverbinding, ze gebruikten ethynyl joodfenantreen, een gemakkelijk te hanteren organisch molecuul bestaande uit drie gekoppelde koolstofringen met een jodium- en een alkynuiteinde. Op een zilveren ondergrond, dit molecuul vormt een regelmatig netwerk met grote zeshoekige mazen.

Warmtebehandeling zet vervolgens een reeks chemische processen in gang, het maken van een roman, aanzienlijk grotere bouwsteen die dan een complexe laag vormt met kleine zeshoekige, rechthoekige en driehoekige poriën vrijwel automatisch en zelforganiserend. In de meetkundetaal wordt dit patroon een semi-regelmatige 3.4.6.4-tessellation genoemd.

Atoomeconomie door recycling van bijproducten

"De scanning-tunnelmicroscopie-metingen die we bij TUM hebben uitgevoerd, laten duidelijk zien dat de moleculaire reorganisatie veel reacties met zich meebrengt die normaal gesproken resulteren in tal van bijproducten. In dit geval, echter, de bijproducten worden gerecycled, wat betekent dat het totale proces verloopt met een grote besparing van atomen - bijna honderd procent herstel - om tot het gewenste eindproduct te komen, " legt prof. Klappenberger uit.

Hoe dit precies gebeurt, ontdekten de onderzoekers in verdere experimenten. "Met behulp van röntgenspectroscopiemetingen aan de elektronenopslagring BESSY II van het Helmholtz-Zentrum Berlin, we konden ontcijferen hoe jodium zich splitst van het startproduct, waterstofatomen verplaatsen zich naar nieuwe posities en de alkyngroepen vangen het zilveratoom, " legt hoofdauteur Yi-Qi Zhang uit.

Via het zilveratoom, twee startende bouwstenen verbinden zich tot een nieuwe, grotere bouwsteen. Deze nieuwe bouwstenen vormen vervolgens de waargenomen complexe poriestructuur.

"We hebben een compleet nieuwe benadering ontdekt om complexe materialen te produceren uit eenvoudige organische bouwstenen, " vat Klappenberger samen. "Dit is belangrijk voor het vermogen om materialen met specifieke nieuwe en extreme eigenschappen te synthetiseren. Deze resultaten dragen ook bij aan een beter begrip van de spontane verschijning (opkomst) van complexiteit in chemische en biologische systemen."

De studie is gepubliceerd in Natuurchemie .