Selvsortering gennem molekylære geometrier

Forskere ved Kanazawa University rapporterer i Kommunikationskemi at visse femkantede og sekskantede organiske molekyler udviser selvsortering. Effekten kan bruges til at dyrke flerlags rørformede strukturer, der bevarer geometrien i de indledende hulrum.

Supramolekylære samlinger er nanostrukturer som følge af molekyler, der binder sammen, gennem intermolekylære interaktioner, i større enheder. En tilgang til styring af supramolekylær samling involverer selvsortering:molekyler genkender kopier af sig selv, og bindende med dem. Nu, resultaterne af et tværfagligt samarbejde mellem gruppen Supramolecular (Tomoki Ogoshi og kolleger) Atomic Force Microscopy (AFM) -gruppen (Hitoshi Asakawa, Takeshi Fukuma, og kolleger) fra Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) Kanazawa University viste, at selvsorteringsadfærd kan opstå fra princippet om geometrisk komplementaritet efter form:i en blanding af specifikke femkantede og sekskantede molekylære byggesten, femkanter binder til femkanter og sekskanter til sekskanter, og der sker ingen blanding.

Asakawa og medlemmer af AFM -gruppen gennemførte eksperimenter med molekyler kaldet søjle [n] arenaer, med n =5 og n =6, svarende til femkantede og sekskantede former, henholdsvis. Begge molekyler findes i to 'varianter':positivt (kationisk) eller negativt ladet (anionisk). De polygonale molekyler er i det væsentlige ringe med 5 eller 6 identiske organiske enheder, hver med en benzenring, men enhedernes sammensætning er forskellig for de kationiske og de anioniske varianter.

Ogoshi og hans kolleger i den supramolekylære gruppe lader kationiske søjler [5] arenaer (P [5]+ i stenografi) adsorbere på et kvartsunderlag. Fra denne struktur, de var i stand til at dyrke P [5]+/P [5] -/P [5]+/… flerlag ved at nedsænke det skiftevis i anioniske og kationiske søjler [5] arene løsninger. Tilsætningen af ​​et lag blev verificeret hver gang ved ultraviolet synlige spektroskopimålinger. Den resulterende overordnede struktur er en 'nanomat' af rørformede strukturer med femkantede porer. Lignende resultater blev opnået for søjle [6] arenaerne:stakke af skiftevis kationiske og anioniske lag af de sekskantede molekyler kunne let fremstilles. Arrangementet af søjle [n] arenaer på en overflade blev undersøgt i samarbejde med prof. Takanori Fukushima, Prof. Tomofumi Tada og kolleger fra Tokyo Institute of Technology.

Hvad forskerne fandt overraskende var, at det ikke var muligt at stable femkantede og sekskantede byggesten, når man forsøgte at bygge et anionisk lag på et kationisk (og omvendt). Dette er en manifestation af selvsortering:kun som polygoner kan selvmonteres, selvom ioniske interaktioner driver dannelsen af ​​kation -anion lagdelte strukturer.

Forskerne undersøgte også strukturen af ​​det første lag af P [5]+ eller P [6]+ molekyler på kvartssubstratet. For de sekskantede molekyler, den todimensionale pakningsstruktur viste ingen strukturel rækkefølge over lang rækkevidde, der henviser til, at for de femkantede molekyler, det gjorde. Dette tilskrives delvis en lavere densitet for sidstnævnte. For flerlags 'nanomater', samme tendens blev observeret:rækkefølge af rækkevidde for de femkantede stakke. De ringform-afhængige pakningsstrukturer blev simuleret af en Monte Carlo-simulering i samarbejde med prof. Tomonori Dotera fra Kindai University.

Den selvsorterende effekt opdaget af Ogoshi og kolleger har lovende potentielle applikationer. Citerer forskerne:"Den ultimative udfordring vil være at sprede information om hulrumsform på overfladen for at give formgenkendelig adsorption og klæbende materialer."

Søjle [n] arenes

Søjle [n] arenes, kollektivt navngivne søjler (og undertiden søjler), er cykliske organiske molekyler bestående af n såkaldte hydroquinonenheder, som kan erstattes. Hydroquinon, også kendt som quinol, har den kemiske formel C6H4 (OH) 2. Den består af en benzenring med to hydroxyl (OH) grupper bundet til den på modsatte sider af benzenhexagon.

Den første pillararene blev syntetiseret i 2008 af Tomoki Ogoshi og kolleger fra Kanazawa University. Navnet pillararene blev valgt, da molekylerne er cylindriske (søjllignende) i form og sammensat af aromatiske dele (arenes).

Desuden, Ogoshi og kolleger har vist, at n =5 og n =6 søjler udviser selvsorteringsfunktioner. Kationiske og anionversioner af molekylerne danner rørformede strukturer, der bevarer den originale femkantede eller sekskantede geometri af pillararene -hulrummet.