Een internationale onderzoeksgroep onder leiding van professor Shiki Yagai van de universiteit van Chiba heeft voor het eerst zelf-geassembleerde polycatenanen ontwikkeld, structuren die bestaan ​​uit mechanisch in elkaar grijpende ringen van kleine moleculen. De onderzoeksgroep slaagde er ook in om de geometrische structuur van de polycatenanen waar te nemen via atoomkrachtmicroscopie (AFM). Dit werk, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , is de eerste die de synthese van nano-polycatenanen bereikt door middel van moleculaire zelfassemblage zonder gebruik te maken van extra moleculaire sjablonen. Yagai, een professor toegepaste chemie en biotechnologie aan de Chiba University, ziet dit als de eerste essentiële stap in technologische innovatie voor het creëren van topologische structuren ter grootte van nanometers.

Catenaansynthese is uitgebreid onderzocht, vooral omdat Jean-Pierre Sauvage een strategie met metalen matrijs bedacht om een ​​catenaan te synthetiseren. Als erkenning voor hun pionierswerk, Sauvage en twee andere onderzoekers kregen in 2016 de Nobelprijs voor Scheikunde voor het ontwerp en de synthese van moleculaire machines. Omdat de moleculen in catenanen aan elkaar zijn gekoppeld tot een ketting, de links kunnen ten opzichte van elkaar bewegen. Dit maakt synthese en karakterisering van de structuur erg moeilijk, vooral wanneer de ringen niet bij elkaar worden gehouden door sterke covalente bindingen.

Door het zelfassemblageprotocol aan te passen met een sjabloonstrategie, de onderzoeksgroep uit Japan, Italië, Zwitserland en het VK waren in staat om polycatenanen te maken, waaronder complexe structuren bestaande uit vijf in elkaar grijpende ringen in een lineaire opstelling vergelijkbaar met het symbool van de Olympische Spelen, die groot genoeg waren om met atoomkrachtmicroscopie te worden waargenomen. Tijdens het zoeken naar methoden om de nano-ringen te zuiveren, de onderzoeksgroep ontdekte dat het toevoegen van de ringen aan een hete monomeeroplossing de vorming van nieuwe assemblages op het oppervlak van de ringen vergemakkelijkt, een proces dat secundaire kiemvorming wordt genoemd. Op basis van deze bevinding, de onderzoeksgroep onderzocht de optimale omstandigheden voor secundaire kiemvorming en creëerde met succes poly[22]catenaan bestaande uit maar liefst 22 verbonden ringen. Door dit poly[22]catenaan te observeren met atoomkrachtmicroscopie, er werd bevestigd dat de structuur een lengte van maximaal 500 nm bereikte.

"De innovatieve bevinding van dit onderzoek ligt in het gebruik van de zelfassemblage die kenmerkend is voor de moleculen, " zegt professor Yagai. "We waren in staat om ingewikkelde geometrische structuren op mesoschaal te creëren zonder complexe synthetische methoden te gebruiken. Dit maakt de weg vrij voor het creëren van nog complexere geometrische verbindingen zoals rotaxaan en klaverbladknopen op een vergelijkbare schaal. Aangezien de moleculaire assemblages die in dit onderzoek worden gebruikt, bestaan ​​uit moleculen die reageren op licht en elektriciteit, deze bevinding kan mogelijk worden toegepast op organische elektronica en fotonica, en andere moleculaire machines."