Kemikere designer molekylært hav af flag som grundlag for nye katalysatorer

Forskere ved universitetet i Bonn har udviklet en molekylær struktur, der kan dække grafitoverflader med et hav af små flagstænger. Egenskaberne af denne belægning er meget variable. Det kan danne grundlag for udviklingen af ​​nye katalysatorer. Forbindelserne kunne også være egnede til at måle proteiners nanomekaniske egenskaber. Resultaterne blev offentliggjort online på forhånd i tidsskriftet Angewandte Chemie . Nu er den trykte udgave udkommet, som viser en del af flaghavet som forsidebillede.

Den grundlæggende byggesten i overfladebelægningen er en stor molekylær ring. Den er stabiliseret på indersiden af ​​eger og har derfor en vis lighed med en Mercedes-stjerne. Derudover har ringen tre små arme, der peger udad. Hver af dem kan gribe armen på en anden ring. Dette gør det muligt for molekylerne at komme sammen til et enormt arklignende væv uden nogen udefrakommende indgriben. Til dette er det tilstrækkeligt at dyppe et stykke grafit (som er det materiale, som blyantledninger for eksempel er lavet af) i en opløsning af disse ringe. Som ved et trylleslag dækker disse grafitoverfladen med en netlignende struktur inden for kort tid.

Nettets maskestørrelse kan justeres præcist ved at ændre længden på armene. Det virkelige højdepunkt ved belægningen ligger imidlertid i en anden modifikationsmulighed:"Vi kan fastgøre små pæle af forskellig længde til midten af ​​ringene," forklarer prof. Dr. Sigurd Höger fra Kekulé Institut for Organisk Kemi og Biokemi ved Universitetet i Bonn. Han ledede undersøgelsen sammen med Dr. Stefan-Sven Jester (også Kekulé Instituttet) og Prof. Dr. Stefan Grimme fra Mulliken Center for Teoretisk Kemi. "Vi kan så til gengæld knytte andre molekyler til dem, ligesom flag til en flagstang."

Et miniaturehav af flag

Afstandene mellem polerne er så store, at selv meget omfangsrige molekyler kan fæstnes til deres spidser uden at komme i vejen for hinanden. De holdes så på plads af stængerne på den ene side, men kan samtidig bevæge sig frit som et flag i vinden. Derudover er de let tilgængelige for stoffer i opløsningen og kan reagere med dem. "Dette kan gøre det muligt at realisere nye katalysatorer," spekulerer Höger. "Potentielt vil dette muliggøre kemiske reaktioner, der tidligere var umulige eller kun mulige med stor indsats."

Ethvert molekyle kan i princippet fastgøres til spidserne af flagstængerne. Dette skulle i fremtiden også give mulighed for for eksempel at måle proteiners nanomekaniske egenskaber. For at gøre dette ville proteinmolekylet blive holdt af flagstangen og derefter trukket fra hinanden med en slags "gribearm". "Proteiner består af lange filamenter, men de fleste af dem er foldet til kompakte kugler, som giver dem deres karakteristiske form," siger Höger. "De kræfter, der virker i dannelsen af ​​sidstnævnte, kan bestemmes mere nøjagtigt af sådanne eksperimenter."

I Dr. Jesters laboratorium blev molekylerne produceret af Höger og hans samarbejdspartnere deponeret på grafit og undersøgt med et scanning tunneling mikroskop. Derudover blev flagmolekylernes overflademønstre også simuleret på computeren. "Dette gjorde det muligt for os at vise, at molekylerne faktisk arrangerer sig selv og opfører sig nøjagtigt som forudsagt af vores begreber og teori," forklarer Jester, der ligesom Höger og Grimme er medlem af det tværfaglige forskningsområde "Building Blocks of Matter and Fundamental". Interactions" (TRA Matter) ved universitetet i Bonn.

At simulere dynamikken i så store og komplekse molekyler kræver enorme beregningsressourcer. Prof. Grimmes forskergruppe har i de senere år udviklet sofistikerede metoder, der alligevel gør dette muligt. "Vi kan f.eks. bruge disse metoder til at skelne mellem fleksibelt og stift forbundne molekyler i simuleringen og til at forudsige deres adfærd," forklarer Grimme.

Blandt andre molekyler fastgjorde Bonn-holdet en fodboldlignende struktur til flagstængerne, en såkaldt fulleren. Der var den i stand til at dingle frit omkring toppen af ​​hver mast holdt af en slags nano-snor. "Vi kan faktisk se denne bevægelse af fullerenerne, forudsagt af computersimuleringer, i vores scanning tunneling mikroskop billeder," siger Jester. Det skyldes, at billederne af de molekylære fodbolde ikke er skarpe, men slørede:På samme måde som at fotografere en rigtig bold på en snor, der bevæger sig frem og tilbage i vinden i svagt lys. Rigidt fæstnede referencemolekyler er på den anden side tydeligt synlige i scanningstunnelmikroskopbillederne. + Udforsk yderligere

Forskere skaber nye molekyler, der tjener som ziplines for energi