Nanowetenschap kan minuscule moleculaire entiteiten op een ordelijke manier in nanometrische patronen rangschikken met behulp van zelfassemblageprotocollen. Wetenschappers van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben een eenvoudige staafachtige bouwsteen gefunctionaliseerd met aan beide uiteinden hydroxaminezuren. Ze vormen moleculaire netwerken die niet alleen de complexiteit en schoonheid van zelfassemblage uit één component op oppervlakken laten zien; ze vertonen ook uitzonderlijke eigenschappen.

Het ontwerpen van componenten voor moleculaire zelfassemblage vraagt ​​om functionaliteiten die 'in elkaar grijpen'. Bijvoorbeeld, onze genetische informatie is gecodeerd in twee DNA-strengen, aan elkaar geritst in een 'wenteltrap' dubbele helixstructuur in een zelfassemblageproces dat wordt gestabiliseerd door waterstofbinding.

Geïnspireerd door de 'ritssluitingen' van de natuur willen onderzoekers van de Technische Universiteit van München functionele nanostructuren construeren om de grenzen van door de mens gemaakte structuren te verleggen.

Bouwstenen voor complexe nanostructuren

Wetenschappers aan de Technische Universiteit van München, divers in discipline, nationaliteit en geslacht, bundelden hun krachten om een ​​nieuwe functie in tweedimensionale architecturen te onderzoeken:een chemische groep genaamd hydroxaminezuur.

Bij de leerstoel Proteomics and Bioanalytics werd een conceptueel eenvoudige bouwsteen voorbereid:een staafvormig molecuul met aan elk uiteinde een hydroxaminezuurgroep. Deze bouwsteen is vervolgens overgedragen aan de leerstoel Surface and Interface Physics, waar de montage werd geïnspecteerd op atomair vlakke zilveren en gouden oppervlakken.

Een nano-poreus netwerk

Een combinatie van geavanceerde microscopie-instrumenten, spectroscopie en dichtheidsfunctionaaltheorie-onderzoeken hebben aangetoond dat de moleculaire bouwsteen zijn vorm enigszins aanpast aan de omgeving van het ondersteunende oppervlak en de aangrenzende moleculen. Dit levert een ongebruikelijk veelvoud van supramoleculaire oppervlaktemotieven op:twee tot zes moleculen die bij elkaar worden gehouden door intermoleculaire interacties.

Slechts een handvol van deze motieven organiseerde zichzelf in 2D-kristallen. Onder hen, er ontstond een ongeëvenaard netwerk, waarvan de patronen beelden oproepen van gesneden citroenen, sneeuwvlokken of rozetten. Ze hebben drie poriën van verschillende grootte die in staat zijn om individuele kleine gasmoleculen, zoals koolmonoxide, nauwsluitend vast te houden in de kleinste, of kleine eiwitten zoals insuline in de grootste.

"In dit verband, het is een mijlpaal in de mozaïekpatroon die wordt bereikt door moleculaire nanostructuren en het aantal verschillende poriën uitgedrukt in kristallijne 2D-netwerken, " zegt Dr. Anthoula Papageorgiou, laatste auteur van de publicatie. "Het biedt dus unieke kansen in bottom-up nanotemplating, die we verder zullen onderzoeken."

Nanokooien met een twist

Zoals onze linker- en rechterhand, de vorm van twee gespiegelde kooiconstructies kan niet over elkaar heen worden gelegd. Sinds de 19e eeuw, academici hebben dit type objectsymmetrie gekarakteriseerd als 'chiraal, ' van de oude Griekse betekenis 'hand'. Dit soort moleculen worden vaak aangetroffen in natuurlijke verbindingen. Chiraliteit beïnvloedt interacties van gepolariseerd licht en magnetische eigenschappen en speelt een vitale rol in het leven.

Bijvoorbeeld, onze reukreceptoren reageren heel verschillend op de twee spiegelbeelden van het limoneenmolecuul:de ene ruikt naar citroen, de andere als grenen. Deze zogenaamde chirale herkenning is een proces dat kan bepalen of een molecuul werkt als medicijn of als vergif.

De binnenwanden van de verkregen nanostructuurkooien bieden plaatsen die gastmoleculen kunnen sturen. De onderzoekers observeerden een dergelijk proces in enkele van de grotere poriën, waar drie van dezelfde moleculen samenkwamen als een chiraal object. Op kamertemperatuur, dit object is in beweging, als een ballerina met een muziekdoos, wat leidt tot een wazig beeld.

In hun toekomstige werk, het team hoopt dit soort fenomenen te sturen voor chirale herkenning en kunstmatige nano-machines.