Onderzoekers van Kanazawa University rapporteren in Communicatiechemie dat bepaalde vijfhoekige en zeshoekige organische moleculen zelfsortering vertonen. Het effect kan worden gebruikt om meerlagige buisvormige structuren te laten groeien die de geometrie van de initiële holtes behouden.

Supramoleculaire assemblages zijn nanostructuren die het resultaat zijn van moleculen die aan elkaar binden, door intermoleculaire interacties, in grotere eenheden. Een benadering voor het beheersen van supramoleculaire assemblage omvat zelfsortering:moleculen herkennen kopieën van zichzelf, en met hen verbinden. Nutsvoorzieningen, de bevindingen van een interdisciplinaire samenwerking tussen de Supramoleculaire groep (Tomoki Ogoshi en collega's) Atomic Force Microscopy (AFM) groep (Hitoshi Asakawa, Takeshi Fukuma, en collega's) van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) Kanazawa University toonde aan dat zelfsorterend gedrag kan voortkomen uit het principe van geometrische complementariteit door vorm:in een mengsel van specifieke vijfhoekige en zeshoekige moleculaire bouwstenen, vijfhoeken binden aan vijfhoeken en zeshoeken aan zeshoeken, en er vindt geen vermenging plaats.

Asakawa en leden van de AFM-groep voerden experimenten uit met moleculen die pijler[n]arenen worden genoemd, met n =5 en n =6, overeenkomend met vijfhoekige en zeshoekige vormen, respectievelijk. Beide moleculen zijn er in twee 'smaken':positief (kationisch) of negatief geladen (anionisch). De veelhoekige moleculen zijn in wezen ringen van 5 of 6 identieke organische eenheden, elk met een benzeenring, maar de samenstelling van de eenheden is verschillend voor de kationische en de anionische varianten.

Ogoshi en zijn collega's van de Supramoleculaire groep lieten kationische pijler[5]arenen (P[5]+ in steno-notatie) adsorberen op een kwartssubstraat. Vanuit deze structuur ze waren in staat om P[5]+/P[5]–/P[5]+/… meerlagen te laten groeien door het afwisselend onder te dompelen in anionische en kationische pijler[5]areenoplossingen. De toevoeging van een laag werd telkens geverifieerd met ultraviolet-zichtbare spectroscopiemetingen. De resulterende totale structuur is een 'nanomaat' van buisvormige structuren met vijfhoekige poriën. Soortgelijke resultaten werden verkregen voor de pijler[6]arenen:stapels van afwisselende kationische en anionische lagen van de hexagonale moleculen konden gemakkelijk worden gefabriceerd. De opstelling van pijler[n]arenen op een oppervlak werd onderzocht in samenwerking met Prof. Takanori Fukushima, Prof. Tomofumi Tada en medewerkers van het Tokyo Institute of Technology.

Wat de wetenschappers verrassend vonden, was dat het niet mogelijk was om vijfhoekige en zeshoekige bouwstenen te stapelen bij het bouwen van een anionische laag op een kationische (en vice versa). Dit is een manifestatie van zelfsortering:alleen zoals polygonen zichzelf kunnen assembleren, zelfs als ionische interacties de vorming van kation-anion gelaagde structuren stimuleren.

De onderzoekers onderzochten ook de structuur van de eerste laag P[5]+ of P[6]+ moleculen op het kwartssubstraat. Voor de hexagonale moleculen geldt de tweedimensionale pakkingstructuur vertoonde geen structurele orde op lange termijn, terwijl voor de vijfhoekige moleculen, het deed. Dit wordt deels toegeschreven aan een lagere dichtheid voor deze laatste. Voor de meerlaagse 'nanomaten', dezelfde trend werd waargenomen:lange-afstandsvolgorde voor de vijfhoekige stapels. De ringvormafhankelijke pakkingstructuren werden gesimuleerd door een Monte Carlo-simulatie in samenwerking met Prof. Tomonori Dotera van Kindai University.

Het door Ogoshi en collega's ontdekte zelfsorterende effect heeft veelbelovende potentiële toepassingen. De wetenschappers citeren:"De ultieme uitdaging zal zijn om informatie over de vorm van een holte op het oppervlak te verspreiden om vormherkenbare adsorptie- en hechtende materialen te bieden."

Pijler[n]arenes

Pijler[n]arenen, gezamenlijk genoemd pijlerarenes (en soms pijlerenes), zijn cyclische organische moleculen bestaande uit n zogenaamde hydrochinon-eenheden, die kan worden vervangen. hydrochinon, ook wel quinol genoemd, heeft de chemische formule C6H4(OH)2. Het bestaat uit een benzeenring met twee hydroxylgroepen (OH) eraan gebonden aan weerszijden van de benzeenzeshoek.

De eerste pijlerarene werd in 2008 gesynthetiseerd door Tomoki Ogoshi en collega's van de Kanazawa University. De naam pijlerarene is gekozen omdat de moleculen cilindrisch (pilaarachtig) van vorm zijn en zijn samengesteld uit aromatische delen (arenen).

Verder, Ogoshi en collega's hebben aangetoond dat n =5 en n =6 pijlerarenen zelfsorterend vermogen vertonen. Kationische en anionversies van de moleculen vormen buisvormige structuren die de oorspronkelijke vijfhoekige of zeshoekige geometrie van de pilaararenholte behouden.