In een opmerkelijk zelfassemblageproces rangschikken bepaalde moleculen zichzelf spontaan in vijf uniforme plakjes 'taart' op nanoschaal, waardoor inzichten worden verkregen in de fundamentele krachten die de moleculaire organisatie beheersen.

Het team, geleid door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft de geheimen onthuld achter de spontane vorming van deze taartachtige structuren, die bestaan ​​uit vijf driehoekige domeinen die vanuit een centraal punt naar buiten uitstralen. Hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, werpt licht op de wisselwerking tussen moleculaire interacties en geometrie die dit unieke zelfassemblagegedrag aansturen.

De belangrijkste spelers in dit assemblageproces zijn kleine organische moleculen die bekend staan ​​als ftalocyanines, met name koperftalocyanines (CuPc). Wanneer deze moleculen worden opgelost in een oplosmiddel en vervolgens op een substraat worden afgezet, ondergaan ze een opmerkelijke transformatie, waarbij ze zichzelf organiseren in zeer geordende 'vijfhoekige quasi-kristallen'.

Wat deze structuren zo fascinerend maakt, is hun gelijkenis met quasi-kristallen, een klasse materialen die een lange-afstandsorde bezitten zonder translationele symmetrie. Met andere woorden:de moleculen binnen deze structuren zijn gerangschikt in een zich herhalend patroon, maar niet op een regelmatige periodieke manier zoals traditionele kristallen.

Om de drijvende krachten achter deze unieke zelfassemblage te begrijpen, gebruikten de onderzoekers een combinatie van experimentele technieken en theoretische modellering. Hun bevindingen suggereren dat de moleculaire interacties die verantwoordelijk zijn voor dit gedrag een delicaat evenwicht van aantrekkende en afstotende krachten tussen de CuPc-moleculen met zich meebrengen.

In het bijzonder dragen de rigide moleculaire structuur van de ftalocyanines en hun neiging om waterstofbruggen te vormen met naburige moleculen bij aan de vorming van deze zeer georganiseerde patronen. De balans tussen deze interacties resulteert in het ontstaan ​​van vijf verschillende domeinen, die op stukjes taart lijken.

Het team ontdekte ook dat de grootte van de vijfhoekige quasi-kristallen nauwkeurig kan worden geregeld door de concentratie van de CuPc-moleculen in de oplossing aan te passen. Deze afstembaarheid opent opwindende mogelijkheden voor de fabricage van functionele nanomaterialen en apparaten met op maat gemaakte eigenschappen.

De spontane zelfassemblage van CuPc-moleculen tot vijfhoekige quasi-kristallen biedt een opmerkelijk voorbeeld van hoe ingewikkelde moleculaire interacties aanleiding kunnen geven tot complexe en prachtige structuren op nanoschaal. De bevindingen van deze studie vergroten niet alleen ons begrip van fundamentele zelfassemblageprocessen, maar maken ook de weg vrij voor het ontwerp en de engineering van nieuwe materialen met potentiële toepassingen in de elektronica, optica en andere technologische gebieden.