Unijni naukowcy odkrywają samoorganizujące się nanostruktury o ogromnym potencjale
Unijny zespół naukowców z Niemiec uchwycił molekuły w kształcie pręta w dwuwymiarowej (2D) sieci, tworząc z powodzeniem małe wirniki obracające się w klatkach o kształcie plastra miodu. Odkrycie stanowi dorobek projektu MOLART (Architektura metalosupramolekularna ograniczona powierzchnią - w stronę nowej chemii koordynacyjnej na potrzeby projektowania funkcjonalnych nanosystemów), który otrzymał grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) dla doświadczonych naukowców o wartości 2,57 mln EUR, z budżetu Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE. Wyniki badań zostały zaprezentowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Naukowcy, pracujący pod kierunkiem profesora Johannesa Bartha z Technische Universität München (TUM) w Niemczech, wyjaśniają, że w gromadzeniu substratów reakcji pomagają białka. "Ograniczenie postaci molekularnych w nanoskalowych środowiskach prowadzi do intrygującego zjawiska dynamicznego" - czytamy w artykule. Powierzchniowe substraty reakcji "spotykają się" na powierzchni wspomagaczy - według relacji naukowców. Chociaż jeszcze jest za wcześnie, aby oczekiwać samodzielnego montowania się nanourządzeń na zasadzie skutków samoorganizowania się, prace wykonane przez zespół z TUM to krok w dobrym kierunku. Na początku naukowcy stworzyli nanosieć przestrzenną, aby umożliwić atomom kobaltu i molekułom dikarbonitrylu sześciofenylu w kształcie pręta wchodzenie ze sobą w reakcje na metalowej powierzchni. W efekcie powstała sieć przestrzenna w kształcie plastrów miodu, która jest nie tylko spójna, ale również stała. Sieć przestrzenna ma grubość zaledwie jednego atomu. To odkrycie przywodzi na myśl inny przełom, jakiego dokonali naukowcy finansowani ze środków unijnych, którzy zdobyli Nagrodę Nobla za swoje prace nad grafemem 2D. "W szczególności organizacja i ruchy obrotowe poszczególnych molekuł były kontrolowane przez starannie zaprojektowane, w pełni supramolekularne architektury-hosty." Zespół wykorzystał otwartą sieć koordynacyjną 2D na gładkiej powierzchni metalowej, aby pokierować samodzielnym montowaniem się niekowalencyjnie wiązanych dynamerów (trymetrycznych jednostek goszczących). "Każda zamknięta w klatce, chiralna supramolekuła wykonuje uzgodnione, chroniące chiralność ruchy obrotowe w obrębie szablonowego pora w kształcie plastra miodu, które są wizualizowane i analizowane ilościowo za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej o kontrolowanej temperaturze" - podkreślają. Pręty samorzutnie gromadzą się w trójelementowe grupy w komórce plastra miodu, podczas gdy przyległe komórki, kiedy dodano molekularne moduły konstrukcyjne, pozostały puste - mówią. Dlaczego molekuły organizują się w trójki? Naukowy z TUM odkryli, że molekuły łączą się w trzyelementowe grupy, w których każda końcówka azotowa jest skierowana na atomu wodoru pierścienia fenylowego. Zdaniem zespołu "ten trzyłopatkowy wirnik" umożliwia molekułom utrzymanie struktury niezależnie od energii wykorzystanej do kierowania obrotem. W świetle interakcji między zewnętrznymi atomami azotu a atomami wodoru w ścianie komórki istnieją dwie różne pozycje. Trzy molekuły ustawiają się również w sposób zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara oraz przeciwny do niego. Wykorzystując kontrolowane temperatury, naukowcy "zamrozili" i gruntownie zanalizowali cztery stany. To umożliwiło im zidentyfikowanie energii tych progów na podstawie temperatury, w której następowało wznowienie obracania się - stwierdzają. "Mamy nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie rozszerzyć te proste modele mechaniczne na przełączanie optyczne lub elektroniczne" - wyjaśnia profesor Barth. "Możemy ustawić konkretny rozmiar komórki, a w szczególności możemy wprowadzić kolejne molekuły i badać ich interakcję z powierzchnią i ścianą komórki. W tych samoorganizujących się strukturach drzemie ogromny potencjał." Wkład w badania wnieśli naukowcy z Uniwersytetu w Sztrasburgu we Francji.
Kraje
Niemcy, Francja