Ett internationellt team av forskare under ledning av Münchens tekniska universitet (TUM) har upptäckt en reaktionsväg som producerar exotiska lager med halvregelbundna strukturer. Dessa typer av material är intressanta eftersom de ofta har extraordinära egenskaper. I processen, enkla organiska molekyler omvandlas till större enheter som bildar komplexet, halvregelbundna mönster. Med experiment vid BESSY II vid Helmholtz-Zentrum Berlin kunde detta observeras i detalj.

Endast ett fåtal grundläggande geometriska former lämpar sig för att täcka en yta utan överlappningar eller mellanrum med enhetligt formade plattor:trianglar, rektanglar och hexagoner. Betydligt fler och betydligt mer komplexa regelbundna mönster är möjliga med två eller flera kakelformer. Dessa är så kallade arkimedeiska tesseller eller plattsättningar.

Material kan också uppvisa kakelegenskaper. Dessa strukturer är ofta förknippade med mycket speciella egenskaper, till exempel ovanlig elektrisk ledningsförmåga, speciell ljusreflektivitet eller extrem mekanisk styrka. Men, att tillverka sådana material är svårt. Det kräver stora molekylära byggstenar som inte är kompatibla med traditionella tillverkningsprocesser.

Komplexa tesselleringar genom självorganisering

Ett internationellt team ledd av professorerna Florian Klappenberger och Johannes Barth vid ordföranden för experimentell fysik vid TUM, samt professor Mario Ruben vid Karlsruhe Institute of Technology, har nu fått ett genombrott i en klass av supramolekylära nätverk:De fick organiska molekyler att kombineras till större byggstenar med en komplex plattsättning bildad på ett självorganiserat sätt.

Som en utgångsförening, de använde etynyljodofenantren, en lätthanterlig organisk molekyl som består av tre kopplade kolringar med en jod- och en alkynände. På ett silversubstrat, denna molekyl bildar ett regelbundet nätverk med stora hexagonala maskor.

Värmebehandling sätter sedan igång en rad kemiska processer, producerar en roman, betydligt större byggsten som sedan bildar ett komplext lager med små sexkantiga, rektangulära och triangulära porer praktiskt taget automatiskt och självorganiserade. På geometrispråket kallas detta mönster för en halvregelbunden 3.4.6.4 tessellation.

Atomekonomi genom återvinning av biprodukter

"Skanntunnelmikroskopimätningarna vi genomförde vid TUM visar tydligt att den molekylära omorganisationen involverar många reaktioner som normalt skulle resultera i många biprodukter. I det här fallet, dock, biprodukterna återvinns, vilket innebär att den övergripande processen går med stor ekonomi av atomer – nästan hundra procent återvinning – för att komma fram till den önskade slutprodukten, " förklarar Prof. Klappenberger.

Forskarna upptäckte exakt hur detta händer i ytterligare experiment. "Med hjälp av röntgenspektroskopi vid elektronlagringsringen BESSY II i Helmholtz-Zentrum Berlin, vi kunde dechiffrera hur jod splittras från utgångsprodukten, väteatomer flyttar till nya positioner och alkyngrupperna fångar silveratomen, " förklarar huvudförfattaren Yi-Qi Zhang.

Med hjälp av silveratomen, två startklossar binder samman till en ny, större byggsten. Dessa nya byggstenar bildar sedan den observerade komplexa porstrukturen.

"Vi har upptäckt en helt ny metod för att producera komplexa material från enkla organiska byggstenar, " sammanfattar Klappenberger. "Detta är viktigt för förmågan att syntetisera material med specifika nya och extrema egenskaper. Dessa resultat bidrar också till att bättre förstå det spontana utseendet (uppkomsten) av komplexitet i kemiska och biologiska system."

Studien publiceras i Naturkemi .