Bio-organismen zijn de meest complexe machines die we kennen, en zijn in staat om veeleisende functies met grote efficiëntie uit te voeren.

Een gemeenschappelijk thema in deze biomachines is dat alles wat belangrijk is, gebeurt op het niveau van afzonderlijke moleculen, dat wil zeggen:op nanoschaal.

De functionaliteit van deze biosystemen is afhankelijk van zelfassemblage - dat wil zeggen, moleculen die precies en selectief met elkaar interageren om goed gedefinieerde structuren te vormen. Een bekend voorbeeld van dit fenomeen is de dubbele helixstructuur van DNA.

Nutsvoorzieningen, geïnspireerd door zelfassemblerende biosystemen, een internationale groep wetenschappers, waaronder FLEET-natuurkundigen, heeft een nieuwe, op koolstof gebaseerde, zelf-geassembleerd nanomateriaal, die de sleutel zouden kunnen zijn tot nieuwe fotovoltaïsche en katalysetechnologieën.

Met behulp van zelfmontage, de onderzoekers konden engineeren, met precisie op atomaire schaal, een nieuwe 1-D nanostructuur samengesteld uit organische (op koolstof gebaseerde) moleculen en ijzeratomen.

De bevindingen worden beschreven in twee studies die deze maand in zijn gepubliceerd Natuurcommunicatie en ACS Nano .

Precisie op atoomschaal via zelfassemblage:een weg naar functionaliteit

"Het vervaardigen van nanomaterialen door de positie van afzonderlijke atomen en moleculen één voor één te controleren, is erg vervelend, zo niet onmogelijk, " zegt hoofdwetenschapper Dr. Agustin Schiffrin, hoofddocent aan de Monash University en hoofdonderzoeker van FLEET.

"In plaats daarvan, we kunnen atomair nauwkeurige structuren creëren via zelfassemblage, door de juiste moleculen te kiezen, atomen en bereidingsomstandigheden."

“Dit heeft als voordeel dat er geen tussenkomst van buitenaf nodig is, " legt Dr. Schiffrin uit.

Een dergelijk zelf-assemblerend vermogen komt van het gebruik van organische (dat wil zeggen, op koolstof gebaseerde) moleculen als het bouwen van nano-eenheden.

De vorm, grootte en interagerende functionele groepen van deze organische moleculen kunnen op een bijna oneindig aantal manieren worden afgestemd met behulp van organische synthetische chemie.

Beheersing van interacties tussen moleculen leidt tot het creëren van de gewenste, goed gedefinieerde nanostructuur, vergelijkbaar met de manier waarop interacties tussen nucleïnezuren in DNA aanleiding geven tot de dubbele helix.

"Zo kunnen we materialen bouwen met een zeer nauwkeurige, gemanipuleerde structuur, waardoor het materiaal de gewenste elektronische eigenschappen heeft, " zegt co-auteur Marina Castelli, een doctoraat student aan de Monash University's School of Physics and Astronomy.

"Net zoals de functies van bio-organismen afhankelijk zijn van interacties op nanoschaal, de fysieke en elektronische eigenschappen van deze nieuwe materialen komen voort uit hun structuur op een enkel molecuulniveau, " legt Monash Research Fellow Dr. Cornelius Krull uit.

Bottom-up verslaat top-down

Conventionele methoden voor materiaal nanofabricage, zoals lithografie, vertrouwen op 'top-down' benaderingen, met materialen gevormd door verwijdering van materie. Dergelijke methoden zijn beperkt tot resoluties in de orde van grootte van hoogstens 1 nanometer.

In plaats daarvan, 'bottom-up'-methoden kunnen een resolutie van sub-nanometerpatronen mogelijk maken, met het potentieel voor een hoger niveau van controle en efficiëntie van elektronische eigenschappen.

Bovendien, het toepassen van 'bottom-up' synthesebenaderingen met een oppervlak als substraat maakt nanostructuren mogelijk met eigenschappen die niet kunnen worden bereikt met conventionele synthesemethoden.

Nanomaterialen op basis van metaal-organische moleculaire complexen zorgen voor een breed scala aan nuttige functionaliteiten, zowel technologisch als biologisch, van katalyse tot fotovoltaïsche energie tot gasdetectie en opslag.

Bij deze systemen de morfologie op atomaire schaal en elektronische configuratie van het metaal-organische coördinatiemotief spelen een cruciale rol, dicteren hun algemene elektronische en chemische eigenschappen.

De twee onderzoeken

Het artikel "Designing Optoelectronic Properties by On-Surface Synthesis:Formation and Electronic Structure of an Iron-Terpyridine Macromolecular Complex, " gepubliceerd in ACS Nano , beschrijft de energie- en ruimtelijke afhankelijkheid van de elektronische toestanden (bezet en onbezet) van de 1-D op ijzer gebaseerde metaal-organische nanostructuur, in een energiebereik nabij het Fermi-niveau, die nuttig kan zijn voor opto-elektronische toepassingen zoals fotovoltaïsche, fotokatalyse en lichtemitterende apparaten.

Structuur en chemie bestuderen op het niveau van één atoom De paper, "Op ijzer gebaseerde trinucleaire metaal-organische nanostructuren op een oppervlak met lokale ladingsaccumulatie, " gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijft op atomaire schaal de intramoleculaire structuur en ladingsverdeling van het niet-triviale ijzer-molecuul coördinatiemotief, bruikbaar voor katalysetoepassingen.