Brugereksperiment hos BESSY II—komplekse tesselleringer, ekstraordinære materialer

Et internationalt team af forskere ledet af det tekniske universitet i München (TUM) har opdaget en reaktionsvej, der producerer eksotiske lag med semiregulære strukturer. Disse typer materialer er interessante, fordi de ofte har ekstraordinære egenskaber. I processen, simple organiske molekyler omdannes til større enheder, som danner komplekset, semiregulære mønstre. Med eksperimenter på BESSY II i Helmholtz-Zentrum Berlin kunne dette observeres i detaljer.

Kun nogle få grundlæggende geometriske former egner sig til at dække en overflade uden overlapninger eller mellemrum ved hjælp af ensartede fliser:trekanter, rektangler og sekskanter. Betydeligt flere og betydeligt mere komplekse regulære mønstre er mulige med to eller flere fliseformer. Det er såkaldte arkimediske tesseller eller flisebelægninger.

Materialer kan også udvise flisebelægningsegenskaber. Disse strukturer er ofte forbundet med helt særlige egenskaber, for eksempel usædvanlig elektrisk ledningsevne, speciel lysreflektivitet eller ekstrem mekanisk styrke. Men, Det er svært at fremstille sådanne materialer. Det kræver store molekylære byggesten, som ikke er kompatible med traditionelle fremstillingsprocesser.

Komplekse tesselleringer gennem selvorganisering

Et internationalt hold ledet af professorerne Florian Klappenberger og Johannes Barth ved formanden for eksperimentel fysik ved TUM, samt professor Mario Ruben ved Karlsruhe Institute of Technology, har nu fået et gennembrud i en klasse af supramolekylære netværk:De fik organiske molekyler til at kombinere til større byggeklodser med en kompleks flisebelægning dannet på en selvorganiseret måde.

Som udgangsforbindelse, de brugte ethynyl iodophenanthren, et lethåndterligt organisk molekyle bestående af tre koblede kulstofringe med en jod- og en alkynende. På et sølvunderlag, dette molekyle danner et regulært netværk med store sekskantede masker.

Varmebehandling sætter derefter en række kemiske processer i gang, producere en roman, betydeligt større byggesten, som så danner et komplekst lag med små sekskantede, rektangulære og trekantede porer stort set automatisk og selvorganiserede. På geometrisproget omtales dette mønster som en semiregulær 3.4.6.4 tessellation.

Atomøkonomi gennem genanvendelse af biprodukter

"De scanningstunnelmikroskopimålinger, vi udførte på TUM, viser tydeligt, at den molekylære reorganisering involverer mange reaktioner, som normalt ville resultere i adskillige biprodukter. I dette tilfælde, imidlertid, biprodukterne genanvendes, hvilket betyder, at den overordnede proces kører med stor økonomi af atomer - næsten hundrede procent genvinding - for at nå frem til det ønskede slutprodukt, " forklarer prof. Klappenberger.

Forskerne afslørede præcis, hvordan dette sker i yderligere eksperimenter. "Ved brug af røntgenspektroskopimålinger ved elektronlagringsringen BESSY II i Helmholtz-Zentrum Berlin, vi var i stand til at tyde, hvordan jod spaltes fra udgangsproduktet, hydrogenatomer flytter til nye positioner og alkyngrupperne fanger sølvatomet, " forklarer hovedforfatteren Yi-Qi Zhang.

Ved hjælp af sølvatomet, to begyndende byggeklodser binder sammen til en ny, større byggesten. Disse nye byggesten danner derefter den observerede komplekse porestruktur.

"Vi har opdaget en helt ny tilgang til at fremstille komplekse materialer ud fra simple organiske byggesten, " opsummerer Klappenberger. "Dette er vigtigt for evnen til at syntetisere materialer med specifikke nye og ekstreme egenskaber. Disse resultater bidrager også til bedre forståelse af den spontane fremkomst (fremkomst) af kompleksitet i kemiske og biologiske systemer."

Undersøgelsen er publiceret i Naturkemi .