Forskare vid Kanazawa University rapporterar i Kommunikationskemi att vissa pentagonala och hexagonala organiska molekyler uppvisar självsortering. Effekten kan användas för att odla flerskiktiga rörformiga strukturer som bevarar geometrin hos de initiala hålrummen.

Supramolekylära sammansättningar är nanostrukturer som är resultatet av molekyler som binder samman, genom intermolekylära interaktioner, till större enheter. Ett tillvägagångssätt för att kontrollera supramolekylär sammansättning involverar självsortering:molekyler som känner igen kopior av sig själva, och binder med dem. Nu, resultaten av ett tvärvetenskapligt samarbete mellan den supramolekylära gruppen (Tomoki Ogoshi och medarbetare) gruppen Atomic Force Microscopy (AFM) (Hitoshi Asakawa, Takeshi Fukuma, och medarbetare) vid Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) Kanazawa University visade att självsorterande beteende kan uppstå från principen om geometrisk komplementaritet efter form:i en blandning av specifika femkantiga och hexagonala molekylära byggstenar, femhörningar binder till femhörningar och hexagoner till hexagoner, och ingen blandning sker.

Asakawa och medlemmar av AFM-gruppen genomförde experiment med molekyler som kallas pillar[n]arenes, med n =5 och n =6, motsvarande femkantiga och sexkantiga former, respektive. Båda molekylerna finns i två "smaker":positivt (katjonisk) eller negativt laddad (anjonisk). De polygonala molekylerna är i huvudsak ringar med 5 eller 6 identiska organiska enheter, var och en med en bensenring, men sammansättningen av enheterna är olika för de katjoniska och de anjoniska varianterna.

Ogoshi och hans kollegor i den supramolekylära gruppen låter katjoniska pelare[5]arener (P[5]+ i stenografi) adsorbera på ett kvartssubstrat. Från denna struktur, de kunde odla P[5]+/P[5]–/P[5]+/… flerskikt genom att sänka det omväxlande i anjoniska och katjoniska pelare[5]arenlösningar. Tillsatsen av ett skikt verifierades varje gång genom ultraviolett-synliga spektroskopimätningar. Den resulterande övergripande strukturen är en "nanomat" av rörformade strukturer med femkantiga porer. Liknande resultat erhölls för pelaren[6]arener:staplar av alternerande katjoniska och anjoniska skikt av de hexagonala molekylerna kunde lätt tillverkas. Arrangemanget av pelare[n]arener på en yta undersöktes i samarbete med Prof. Takanori Fukushima, Prof. Tomofumi Tada och medarbetare från Tokyo Institute of Technology.

Vad forskarna fann överraskande var att det inte var möjligt att stapla femkantiga och sexkantiga byggstenar när man försökte bygga ett anjoniskt lager på ett katjoniskt lager (och vice versa). Detta är en manifestation av självsortering:bara som polygoner kan självmontera, även om joninteraktioner driver bildandet av katjon-anjonskiktade strukturer.

Forskarna undersökte också strukturen av det första lagret av P[5]+ eller P[6]+ molekyler på kvartssubstratet. För de hexagonala molekylerna, den tvådimensionella packningsstrukturen uppvisade ingen strukturell ordning på lång räckvidd, för de femkantiga molekylerna, det gjorde. Detta beror delvis på en lägre densitet för den senare. För nanomaterna i flera lager, samma trend observerades:långdistansordning för de femkantiga stackarna. De ringformsberoende packningsstrukturerna simulerades av en Monte Carlo-simulering i samarbete med Prof. Tomonori Dotera från Kindai University.

Den självsorterande effekt som upptäckts av Ogoshi och kollegor har lovande potentiella tillämpningar. Citerar forskarna:"Den ultimata utmaningen kommer att vara att sprida information om kavitetsform på ytan för att ge formigenkännbar adsorption och adhesiva material."

Pelare[n]arenes

Pelare[n]arenes, gemensamt namngivna pillararener (och ibland pillarener), är cykliska organiska molekyler som består av n så kallade hydrokinonenheter, som kan ersättas. Hydrokinon, även känd som kinol, har den kemiska formeln C6H4(OH)2. Den består av en bensenring med två hydroxylgrupper (OH) bundna till den på motsatta sidor av bensenhexagonen.

Den första pillararenen syntetiserades 2008 av Tomoki Ogoshi och kollegor från Kanazawa University. Namnet pillararen valdes eftersom molekylerna är cylindriska (pelarliknande) till formen och består av aromatiska delar (arener).

Vidare, Ogoshi och kollegor har visat att n =5 och n =6 pillararener uppvisar självsorteringsförmåga. Katjoniska och anjoniska versioner av molekylerna bildar rörformiga strukturer som bevarar den ursprungliga pentagonala eller hexagonala geometrin hos pillararenkaviteten.