Stel je voor dat je probeert een gebouw van het Colosseum-type te bouwen, inclusief bogen, gewelven en verschillende uitsteeksels - met inachtneming van twee strikte regels:er mag slechts één type baksteen worden gebruikt, en deze stenen moeten precies worden geplaatst, de een tegen de ander, in een symmetrische opstelling. Zelfs een beetje mismatch is niet toegestaan. Op zijn best, je zou een kamerhoge toren kunnen bouwen. De natuur heeft vergelijkbare wetten voor de constructie van eenkristallen.

De regels voor de vorming van enkele, moleculaire kristallen zijn zo streng - ze moeten scherp zijn, continu, structuren met één compartiment - dat het ondenkbaar is dat deze principes worden doorbroken. Tot nu, dat is. Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science zijn erin geslaagd structuren te creëren die een complete paradox zijn:enkelvoudig, continue kristallen die meerdere domeinen hebben, een asymmetrische vorm en gebogen lijnen; ze zijn zo complex als men zou verwachten van een "monumentale" structuur. Deze unieke klasse van organische materialen werd onlangs gerapporteerd in Natuurcommunicatie Omdat kristalstructuur een cruciale rol speelt bij het bepalen van de eigenschappen van een materiaal, de wetenschappers van Weizmann zijn van plan deze nieuwe structuren verder te onderzoeken en hun speciale assemblagebenadering toe te passen op verschillende soorten "moleculaire stenen" die kunnen helpen bij het creëren van zeer veelzijdige kristallijne materialen.

Laten we de twist doen

Er zijn veel openstaande kwesties op het gebied van kristaltechniek, hoewel sommige dateren uit het werk van Louis Pasteur in de 19e eeuw, bijvoorbeeld, hoe de groei van kristallen te beheersen, zodat ze een uniforme grootte en vorm hebben, of hoe chiraliteit te beheersen. Chirale moleculen zijn identiek in hun samenstelling, maar komen in twee spiegelbeeldvormen die, zoals handen, verschijnen in "links" of "rechts" versies die niet over elkaar heen kunnen worden geplaatst. Chirale kristalformaties kunnen spiraalvormig zijn - met de klok mee of tegen de klok in, afhankelijk van de 'handigheid' van de moleculen.

Wetenschappers van het Weizmann Instituut, onder leiding van de Italiaanse postdoctoraal student Dr. Maria Chiara di Gregorio, Senior stafwetenschapper dr. Michal Lahav en prof. Milko van der Boom, alle van de afdeling Organische Chemie, deze vragen hebben aangeroerd. Door de jaren heen, ze hebben hun methode geperfectioneerd om eenkristallen te maken die er zeer complex uitzien, en ze hebben er nu een draai aan toegevoegd - letterlijk. De kristalstructuren die ze creëerden, hebben de vorm van een jojo, waarbij de twee helften in tegengestelde richtingen spiraalsgewijs draaien; bovenop deze structuur, het uiterlijk van de twee schijven zelf is bloemachtig, met talrijke chirale "bloemblaadjes" die rond een "stigma" in het midden groeien. "Dit is verrassend, aangezien de 'bouwstenen' allemaal symmetrisch zijn, niet-chirale moleculen, ", zegt di Gregorio. "Het bloembladachtige uiterlijk suggereert dat dit polykristallijne structuren zouden moeten zijn - dat wil zeggen, het bezit van meerdere 'kamers' - in plaats van enkele kristallen."

Om te begrijpen hoe deze bloemblaadjes, chirale structuur ontstond uit niet-chirale moleculen, de wetenschappers gebruikten verschillende technieken om de kristallen op drie verschillende niveaus te onderzoeken:het morfologische (3D-vorm) niveau, het moleculaire niveau, en dan op een niveau ergens tussenin - de verdeling van de elektronendichtheid.

Met behulp van scanning elektronenmicroscopie, ze waren in staat om vier stadia van kristalgroei te construeren die op morfologisch niveau konden worden gedefinieerd. Het "bakken" van organische moleculen samen met metaalatomen in oplossing bij de juiste temperatuur levert vormeloze, niet-chirale cilindrische structuren. Dit zijn de "bloemknoppen" die, in de volgende fasen, transformeren in chirale objecten. Eerst ontwikkelen ze zich tot twee gedraaide zeshoekige structuren, en de bloembladen beginnen dan te groeien en schikken zich asymmetrisch op het bovenoppervlak van de twee zeshoeken op een propellerachtige manier, met de klok mee of tegen de klok in aannemen. In de laatste fase, de kristallen ontwikkelen zich tot de goed gedefinieerde jojo-structuur, met zijn meerdere domeinen waardoor het een bloemachtig uiterlijk heeft.

Door de structuur verder te onderzoeken met behulp van microcomputertomografie (micro-CT) - een onconventionele methode in de 3D-analyse van metaal-organische kristallen - onthulden de wetenschappers verborgen details van het "tussenin" elektronendichtheidsdistributieniveau. Inderdaad, de metingen onthullen een doorlopend enkelvoudig spiraalmotief dat de hele structuur van basis tot basis overspant, suggereert dat ondanks de complexe vorm, het is een enkel chiraal kristal.

Op moleculair niveau, Röntgenfoto's toegepast door Dr.Linda Shimon van het Department of Chemical Research Support, toonde de kristalstructuur duidelijk en leverde overtuigend bewijs voor de eenkristalsamenstelling van de complexe jojo's. De röntgenpatronen onthulden ook "spiraaltrappen" - poreuze, chirale kanalen die zich van boven naar beneden over de hele structuur uitstrekken.

Deze verwrongen kristallen waren zo tegen de natuur in dat de onderzoekers de structuur onafhankelijk lieten bevestigen door een kristallograaf in New York.

De pas ontdekte kristallen in gebruik nemen

"Deze resultaten zijn opwindend op een fundamenteel niveau, omdat we erin geslaagd zijn een volledig unieke materiaalklasse te creëren, ", zegt van der Boom. De bevindingen kunnen toepassingen vinden, hij voegt toe, bij het ontwerpen van nieuwe poreuze materialen, bijvoorbeeld voor de opslag van milieuvriendelijke brandstoffen zoals waterstof, of voor het opvangen van kooldioxide uit de atmosfeer. En ze kunnen ook worden gebruikt voor het verbeteren van katalyse in verschillende chemische processen.