Onderzoekers gebruikten een tandwielvormig molecuul genaamd triaryltriazine, waaraan een centrale triazinering is bevestigd met drie fenyleenringen die werken als de tanden van een tandwiel. Door omvangrijke, stationaire moleculen aan de fenyleenringen te bevestigen, hebben onderzoekers een 'koppelingsstapel'-opstelling geïnduceerd, waarbij aangrenzende triaryltriazinemoleculen 60° ten opzichte van elkaar worden geroteerd, in plaats van in dezelfde richting te worden gestapeld.

"Het ontwerp van de koppelingsstapel is geïnspireerd op het mechanische machinesysteem van de koppeling in een auto", zegt universitair hoofddocent Mingoo Jin.

De vastzittende stationaire moleculen creëerden ook voldoende ruimte zodat de drie fenyleenringen in een flapperende beweging tussen twee posities konden roteren. Door de koppelingsstapeling van de triaryltriazinemoleculen konden aangrenzende moleculen aan elkaar haken terwijl de fenyleenringen ronddraaiden, net als in elkaar grijpende tandwielen. Dit resulteerde in de gecorreleerde beweging van alle moleculen in de stapel.

Wanneer de temperatuur boven een bepaalde drempel werd verhoogd, werd een andere gecorreleerde beweging waargenomen, waarbij fenyleenringen een rotatie van 180° ondergingen. Deze bewegingsverandering werd toegeschreven aan een faseovergang in het kristal die meer ruimte creëerde tussen aangrenzende moleculen, waardoor de fenyleenringen meer ruimte kregen om te roteren.

Onderzoekers ontdekten dat deze bewegingsverandering kan worden teruggedraaid door het kristal af te koelen, wat de eerste keer is dat een dergelijke controleerbare moleculaire beweging in een vaste stof is waargenomen. Het effect van de moleculaire versnellingspook kan worden verfijnd door de grootte en structuur van het stationaire molecuul dat aan het tandwielmolecuul is bevestigd aan te passen. Deze aanpasbaarheid opent de deur naar de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen die gebruik maken van kristallijne moleculaire machines.

"De volgende richting voor ons onderzoek zou het gebruik van aangepaste moleculaire bewegingen in kristallen zijn om verschillende fysieke eigenschappen van vaste stoffen te manipuleren, zoals lichtemissie of thermisch gedrag", aldus Jin.

Meer informatie: Mingoo Jin et al., Een door sterische afstoting aangedreven koppelingsstapel van triaryltriazines:gecorreleerde moleculaire rotaties en een thermoresponsieve versnellingspook in de kristallijne vaste stof, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c08909

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Hokkaido Universiteit