Forskere forklarer, hvorfor nogle molekyler spontant arrangerer sig selv i fem skiver af nanoskala tærte

I en bemærkelsesværdig selvsamlingsproces arrangerer visse molekyler sig spontant i fem ensartede skiver af nanoskala "tærte", der giver indsigt i de grundlæggende kræfter, der styrer molekylær organisation.

Holdet, ledet af forskere fra University of California, Berkeley, har afsløret hemmelighederne bag den spontane dannelse af disse tærte-lignende strukturer, som består af fem trekantede domæner, der stråler udad fra et centralt punkt. Deres undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology, kaster lys over samspillet mellem molekylære interaktioner og geometri, der driver denne unikke selvsamlingsadfærd.

Nøglespillerne i denne samlingsproces er små organiske molekyler kendt som phthalocyaniner, specifikt kobberphthalocyaniner (CuPc). Når disse molekyler opløses i et opløsningsmiddel og derefter deponeres på et substrat, gennemgår de en bemærkelsesværdig transformation, selvorganiserende til højt ordnede "pentagonale kvasikrystaller."

Det, der gør disse strukturer så fascinerende, er deres lighed med kvasikrystaller, en klasse af materialer, der har lang rækkefølge uden translationel symmetri. Med andre ord er molekylerne i disse strukturer arrangeret i et gentaget mønster, men ikke på en regelmæssig periodisk måde som traditionelle krystaller.

For at forstå drivkræfterne bag denne unikke selvsamling brugte forskerne en kombination af eksperimentelle teknikker og teoretisk modellering. Deres resultater tyder på, at de molekylære interaktioner, der er ansvarlige for denne adfærd, involverer en delikat balance mellem tiltrækkende og frastødende kræfter mellem CuPc-molekylerne.

Specifikt bidrager phthalocyaninernes stive molekylære struktur og deres tendens til at danne hydrogenbindinger med nabomolekyler til dannelsen af ​​disse højt organiserede mønstre. Balancen af ​​disse interaktioner resulterer i fremkomsten af ​​fem forskellige domæner, der ligner skiver af tærte.

Holdet opdagede også, at størrelsen af ​​de femkantede kvasikrystaller kan kontrolleres præcist ved at justere koncentrationen af ​​CuPc-molekylerne i opløsningen. Denne indstilling åbner for spændende muligheder for fremstilling af funktionelle nanomaterialer og enheder med skræddersyede egenskaber.

Den spontane selvsamling af CuPc-molekyler til femkantede kvasikrystaller giver et bemærkelsesværdigt eksempel på, hvordan indviklede molekylære interaktioner kan give anledning til komplekse og smukke nanoskalastrukturer. Resultaterne af denne undersøgelse udvider ikke kun vores forståelse af grundlæggende selvsamlingsprocesser, men baner også vejen for design og konstruktion af nye materialer med potentielle anvendelser inden for elektronik, optik og andre teknologiske områder.