Tänk dig att försöka bygga en byggnad av Colosseum-typ-inklusive bågar, valv och olika utskjutande - samtidigt som de följer två strikta regler:Endast en typ av tegel får användas, och dessa tegelstenar måste placeras exakt, en mot en annan, i ett symmetriskt arrangemang. Inte ens lite fel matchning är tillåtet. I bästa fall, du skulle kunna bygga ett kammarhögtorn. Naturen har liknande lagar för konstruktion av enkristaller.

Reglerna för bildandet av singel, molekylära kristaller är så strikta-de måste vara skarpa, kontinuerlig, enkelfackstrukturer-att det är ofattbart att föreställa sig att dessa principer bryts. Tills nu, det är. Forskare från Weizmann Institute of Science har lyckats skapa strukturer som är en fullständig paradox:singel, kontinuerliga kristaller som har flera domäner, en asymmetrisk form och böjda linjer; de är så komplexa som man kan förvänta sig av en "monumental" struktur. Denna unika klass av organiska material rapporterades nyligen i Naturkommunikation .Eftersom kristallstrukturen spelar en avgörande roll för att bestämma egenskaperna hos ett material, Weizmann-forskarna planerar att ytterligare undersöka dessa nya strukturer och tillämpa sin speciella monteringsmetod på olika typer av "molekylära tegelstenar" som kan bidra till att skapa mycket mångsidiga kristallina material.

Låt oss göra vridningen

Det finns många öppna frågor inom kristallteknik, även om vissa går tillbaka till Louis Pasteurs verk på 1800 -talet - till exempel hur man kontrollerar tillväxten av kristaller så att de får en enhetlig storlek och form, eller hur man kontrollerar kiralitet. Kirala molekyler är identiska i sin sminkning men finns i två spegelbildsformer som, som händer, visas i "vänster" eller "höger" versioner som inte kan läggas över varandra. Kirala kristallformationer kan vara spiralformade - spiral i antingen medurs eller moturs, beroende på molekylernas "handighet".

Forskare från Weizmann Institute, i spetsen för den italienska postdoktoralen Dr. Maria Chiara di Gregorio, Senior Staff Scientist Dr. Michal Lahav och Prof. Milko van der Boom, hela avdelningen för organisk kemi, har berört dessa frågor. Över åren, de har fulländat sin metod för att skapa enstaka kristaller som är mycket komplexa i utseende, och de har nu lagt till en twist - bokstavligen. Kristallstrukturerna de skapade är formade som ett jojo, med de två halvorna i spiral i motsatta riktningar; ovanpå denna struktur, utseendet på själva de två skivorna är blomliknande, med många kirala "kronblad" som växer runt en "stigma" i mitten. "Det här är förvånande, eftersom 'byggstenarna' alla är symmetriska, icke-kirala molekyler, "säger di Gregorio." Det kronbladliknande utseendet antyder att dessa "borde vara" polykristallina strukturer-det vill säga som har flera "kamrar" - snarare än enstaka kristaller. "

För att förstå hur detta petalled, kiral struktur uppstod från icke-kirala molekyler, forskarna använde flera tekniker för att undersöka kristallerna på tre olika nivåer:den morfologiska (3D-formade) nivån, molekylnivån, och sedan på en nivå någonstans däremellan - elektrondensitetsfördelningen.

Med hjälp av svepelektronmikroskopi, de kunde tolka fyra stadier av kristalltillväxt som kunde definieras på morfologisk nivå. "Baka" organiska molekyler tillsammans med metallatomer i lösning vid rätt temperatur ger formlösa, icke-kirala cylindriska strukturer. Det här är "blomknopparna" som, i följande steg, förvandlas till kirala föremål. Först utvecklas de till två vridna sexkantiga strukturer, och kronbladen börjar sedan växa och ordna sig asymmetriskt på ovansidan av de två hexagonerna på ett propellerliknande sätt, anta medurs eller moturs. I slutskedet, kristallerna utvecklas till den väldefinierade jojo-strukturen, med sina flera domäner som ger det ett blomstrande utseende.

Vidare undersökte strukturen med hjälp av mikroberäknad tomografi (mikro-CT)-en okonventionell metod i 3D-analysen av metall-organiska kristaller-forskarna avslöjade dolda detaljer från "mittemellan" elektrondensitetsfördelningsnivån. Verkligen, mätningarna avslöjar ett kontinuerligt enda spiralmotiv som spänner över hela strukturen från bas till bas, tyder på att trots den komplexa formen, det är en enda kiral kristall.

På molekylär nivå, Röntgenstrålar applicerade av Dr. Linda Shimon vid Institutionen för kemiskt forskningsstöd, visade kristallstrukturen tydligt och gav avgörande bevis för enkristallsminkningen av komplexa jojoerna. Röntgenmönstren avslöjade också "spiraltrappor"-porösa, kirala kanaler som sträcker sig över hela strukturen från topp till botten.

Dessa vridna kristaller var så motsatta till naturen att forskarna fick strukturen oberoende bekräftad av en kristallograf i New York.

Använda de nyfunna kristallerna

"Dessa resultat är spännande på en grundläggande nivå, eftersom vi har lyckats skapa en helt unik klass av material, "säger van der Boom. Resultaten kan hitta tillämpningar, han lägger till, vid design av nya porösa material, till exempel för lagring av miljövänliga bränslen som väte, eller för att fånga koldioxid från atmosfären. Och de kan också användas för att förbättra katalys i olika kemiska processer.