Nano-polycatenan syntese opnået med molekylær selvsamling

En international forskergruppe ledet af Chiba University Professor Shiki Yagai har for første gang udviklet selvsamlede polycatenaner, strukturer bestående af mekanisk sammenkoblede ringe med små molekyler. Forskergruppen lykkedes også med at observere polycatenanernes geometriske struktur via atomkraftmikroskopi (AFM). Dette arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Natur , er den første til at opnå syntese af nano-polycatenaner gennem molekylær selvsamling uden brug af yderligere molekylære skabeloner. Yagai, en professor i anvendt kemi og bioteknologi ved Chiba University, ser dette som det første afgørende skridt i teknologisk innovation til at skabe topologiske strukturer på nanometerstørrelse.

Catenan syntese er blevet bredt forsket, især siden Jean-Pierre Sauvage udtænkte en metalskabelonstrategi til at syntetisere en katenan. Som anerkendelse for deres pionerarbejde, Sauvage og to andre forskere blev tildelt Nobelprisen i kemi for design og syntese af molekylære maskiner i 2016. Da molekylerne i catenaner er forbundet til en kæde, linkene kan bevæge sig i forhold til hinanden. Dette gør syntese og karakterisering af strukturen meget vanskelig, især når ringene ikke holdes sammen af ​​stærke kovalente bindinger.

Ved at ændre selvsamlingsprotokollen med en skabelonstrategi, forskergruppen fra Japan, Italien, Schweiz og Storbritannien var i stand til at skabe polycatenaner, herunder komplekse strukturer bestående af fem sammenlåste ringe i et lineært arrangement svarende til symbolet for de olympiske lege, som var store nok til at blive observeret ved atomkraftmikroskopi. Mens de søger efter metoder til at rense nano-ringene, forskergruppen fandt ud af, at tilsætning af ringene til varm monomeropløsning letter dannelsen af ​​nye samlinger på ringenes overflade, en proces kendt som sekundær nukleation. Baseret på dette fund, forskergruppen undersøgte optimale betingelser for sekundær kernedannelse og skabte med succes poly[22]catenan bestående af så mange som 22 forbundne ringe. Ved at observere denne poly[22]catenan gennem atomkraftmikroskopi, det blev bekræftet, at strukturen nåede op til 500 nm i længden.

"Det innovative resultat af denne forskning ligger i udnyttelsen af ​​molekylernes selvsamlingsegenskaber, " siger professor Yagai. "Vi var i stand til at skabe indviklede geometriske strukturer i mesoskala uden at bruge komplekse syntetiske metoder. Dette baner vejen for at skabe endnu mere komplekse geometriske forbindelser såsom rotaxane og trefoil-knuder i en lignende skala. Da de molekylære samlinger, der bruges i denne forskning, består af molekyler, der reagerer på lys og elektricitet, denne opdagelse kan potentielt anvendes til organisk elektronik og fotonik, og andre molekylære maskiner."