Fremkomsten af ​​kiralitet og strukturel kompleksitet i enkeltkrystaller på det molekylære og morfologiske niveau

Forestil dig at prøve at bygge et bygningsværk af Colosseum-type-herunder buer, hvælvinger og forskellige fremspring - mens de overholder to strenge regler:Der må kun bruges en type mursten, og disse mursten skal placeres præcist, den ene mod den anden, i et symmetrisk arrangement. Ikke engang en smule mismatching er tilladt. I bedste fald, du ville være i stand til at opføre et kammeret højhus. Naturen har lignende love for konstruktion af enkeltkrystaller.

Reglerne for dannelse af single, molekylære krystaller er så strenge-de skal være skarpe, sammenhængende, enkeltrumsstrukturer-at det er utænkeligt at forestille sig, at disse principper er brudt. Indtil nu, det er. Weizmann Institute of Science -forskere har formået at skabe strukturer, der er et fuldstændigt paradoks:single, kontinuerlige krystaller, der har flere domæner, en asymmetrisk form og buede linjer; de er så komplekse, som man kunne forvente af en "monumental" struktur. Denne unikke klasse af organiske materialer blev for nylig rapporteret i Naturkommunikation .Fordi krystalstruktur spiller en kritisk rolle ved bestemmelse af et materiales egenskaber, Weizmann-forskerne planlægger at undersøge disse nye strukturer yderligere og anvende deres specielle samlingstilgang til forskellige typer "molekylære mursten", der kan hjælpe med at skabe meget alsidige krystallinske materialer.

Lad os gøre twist

Der er mange åbne spørgsmål inden for krystalteknik, selvom nogle stammer tilbage fra Louis Pasteurs arbejde i det 19. århundrede - f.eks. hvordan man styrer væksten af ​​krystaller, så de får en ensartet størrelse og form, eller hvordan man kontrollerer chiralitet. Chirale molekyler er identiske i deres makeup, men findes i to spejlbilledformer, der, som hænder, vises i "venstre" eller "højre" version, der ikke kan overlejres. Kirale krystalformationer kan være spiralformede - spiralformede i enten med eller mod uret, afhængigt af molekylernes "håndethed".

Weizmann Instituttets forskere, i spidsen for italiensk postdoktorand Dr. Maria Chiara di Gregorio, Seniorforsker Dr. Michal Lahav og prof. Milko van der Boom, hele afdelingen for organisk kemi, har berørt disse spørgsmål. I årenes løb, de har perfektioneret deres metode til at skabe enkeltkrystaller, der er meget komplekse i udseende, og de har nu tilføjet et twist - bogstaveligt talt. Krystalstrukturerne, de skabte, er formet som et jojo, med de to halvdele i spiral i modsatte retninger; oven på denne struktur, udseendet af de to diske i sig selv er blomsterlignende, med talrige kirale "kronblade", der vokser omkring et "stigma" i midten. "Det er overraskende, da 'byggestenene' alle er symmetriske, ikke-chirale molekyler, "siger di Gregorio." Det kronbladlignende udseende antyder, at disse 'bør være' polykrystallinske strukturer-det vil sige besidder flere 'kamre' - snarere end enkeltkrystaller. "

For at forstå, hvordan dette petalled, chiral struktur opstod fra ikke-chirale molekyler, forskerne brugte flere teknikker til at undersøge krystallerne på tre forskellige niveauer:det morfologiske (3D-formede) niveau, det molekylære niveau, og derefter på et niveau et sted midt imellem - elektrontæthedsfordelingen.

Brug af scanningselektronmikroskopi, de var i stand til at fortolke fire faser af krystalvækst, der kunne defineres på det morfologiske plan. "Bagning" af organiske molekyler sammen med metalatomer i opløsning ved den rigtige temperatur giver formløse, ikke-chirale cylindriske strukturer. Det er de "blomsterknopper", der i de følgende faser, forvandle sig til kirale genstande. Først udvikler de sig til to snoede sekskantede strukturer, og kronbladene begynder derefter at vokse og placere sig asymmetrisk på toppen af ​​de to sekskanter på en propellignende måde, i retning med eller mod uret. I sidste fase, krystallerne udvikler sig til den veldefinerede jojo struktur, med sine flere domæner, der giver det et blomsterlignende udseende.

Undersøgte strukturen yderligere ved hjælp af mikro-computertomografi (mikro-CT)-en ukonventionel metode i 3-D-analysen af ​​metal-organiske krystaller-forskerne afslørede skjulte detaljer fra "imellem" elektrontæthedsfordelingsniveau. Ja, målingerne afslører et kontinuerligt enkelt spiralmotiv, der spænder over hele strukturen fra base til base, tyder på, at på trods af den komplekse form, det er en enkelt kiral krystal.

På molekylært niveau, Røntgenbilleder anvendt af Dr. Linda Shimon fra Department of Chemical Research Support, viste krystalstrukturen klart og gav afgørende beviser for den enkelt krystal makeup af de komplekse yo-yos. Røntgenmønstrene afslørede også "vindeltrapper"-porøse, kirale kanaler, der strækker sig over hele strukturen fra top til bund.

Disse snoede krystaller var så i modstrid med naturen, at forskerne fik strukturen uafhængigt bekræftet af en krystallograf i New York.

Brug af de nyfundne krystaller

"Disse resultater er spændende på et grundlæggende plan, da vi har formået at skabe en helt unik klasse af materialer, "siger van der Boom. Resultaterne kan finde anvendelser, tilføjer han, ved design af nye porøse materialer, for eksempel til opbevaring af miljøvenlige brændstoffer som brint, eller til opsamling af kuldioxid fra atmosfæren. Og de kan også bruges til at forbedre katalyse i forskellige kemiske processer.