En grupp forskare ledda av forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science och University of Tokyo har skapat ett ovanligt material - en mjuk kristall gjord av molekyler som kallas catenanes - som beter sig på ett nytt sätt som skulle kunna användas i applikationer som t.ex. som filmer som fångar upp koldioxidmolekyler. Forskningen publicerades i Natur .

En katenan är en typ av molekyl där två eller flera ringar låser ihop, som ringarna som magiker använder i sina tricks, och kan glida längs med varandra, skapa konformationsförändringar som kan ge material intressanta egenskaper. Dessa typer av molekyler finns i naturen, där de ofta fungerar som molekylära maskiner. Ända tills nu, kedjor av katenaner – kända som polycatenaner – har skapats, men forskare har aldrig utforskat tredimensionella kristaller som består av dessa molekyler.

Gruppen tänkte utforska detta, och skapade ett nytt material genom att odla kristaller av katenaner och koboltjoner i ett lösningsmedel. Genom att noggrant kontrollera arrangemangen av katenanmolekyler genom bildandet av koordinationsbindningar med koboltjonerna, de trodde att de skulle kunna skapa ett tredimensionellt nätverk som nästan enbart består av katenanerna, som samverkar för att skapa nya funktioner.

Forskarna använde sedan enkristallröntgendiffraktion för att undersöka strukturen hos den mjuka kristallen.

Medan forskarna i huvudsak undersökte vilka typer av egenskaper sådana material kan ha, de blev förvånade över resultatet av analysen. Först, i överensstämmelse med deras förväntningar, de fann att viktmässigt, katenaner utgjorde mer än 90 procent av kristallen. Intressant, de fann att det var poröst, med hål som kan adsorbera lösningsmedel, eller gasformiga molekyler, och att porformen förändrades när gästmolekylerna kom in i eller ut ur strukturen.

Dessutom, använda en teknik för nano-indragning för att studera de mekaniska egenskaperna, de fann att materialet lätt deformerades när det pressades mekaniskt – och att dess Youngs modul, ett index för hur lätt den deformeras, är jämförbar med polypropen, en plast som används i förpackningsmaterial och andra användningsområden – och att, förvånande, den återgick till sin ursprungliga form, utan skador, vid avlägsnande av kraften. Vidare, när de försökte komprimera den, de fann att det komprimerade mest i en specifik riktning, och de kunde förklara dess deformerbara natur genom att visa att faktiskt, ringarna av katenanmolekylerna gled, så att materialet kan komprimeras.

Hiroshi Sato, som ledde forskningen, säger, "Vi tror att dessa resultat kan leda till skapandet av innovativa porösa material som kan adsorbera och desorbera gasmolekyler som koldioxid helt enkelt genom att nypa och släppa dem med våra fingrar."