Bioorganismer är de mest komplexa maskiner vi känner, och kan utföra krävande funktioner med stor effektivitet.

Ett vanligt tema i dessa biomaskiner är att allt viktigt händer på nivån av enskilda molekyler – dvs. på nanoskala.

Funktionaliteten hos dessa biosystem är beroende av självmontering – dvs. molekyler som interagerar exakt och selektivt med varandra för att bilda väldefinierade strukturer. Ett välkänt exempel på detta fenomen är dubbelhelixstrukturen hos DNA.

Nu, inspirerad av självmonterande biosystem, en internationell grupp av forskare inklusive FLEET-fysiker har skapat en ny, kolbaserad, självmonterat nanomaterial, som kan vara nyckeln till ny solcells- och katalysteknik.

Använder självmontering, forskarna kunde konstruera, med precision i atomskala, en ny 1-D nanostruktur som består av organiska (kolbaserade) molekyler och järnatomer.

Fynden beskrivs i två studier publicerade denna månad i Naturkommunikation och ACS Nano .

Atomisk precision via självmontering:en väg till funktionalitet

"Att tillverka nanomaterial genom att kontrollera positionen för enstaka atomer och molekyler en i taget är väldigt tråkigt, om inte omöjligt, " säger huvudforskaren Dr. Agustin Schiffrin, universitetslektor vid Monash University och FLEET chefsutredare.

"Istället, vi kan skapa atomärt exakta strukturer via självmontering, genom att välja rätt molekyler, atomer och beredningsförhållanden."

"Detta har fördelen att inget externt ingripande krävs, " förklarar Dr Schiffrin.

Sådan självmonteringsförmåga kommer från att använda ekologiska (det vill säga kolbaserade) molekyler som byggande nanoenheter.

Formen, storlek och interagerande funktionella grupper av dessa organiska molekyler kan ställas in på ett nästan oändligt antal sätt med hjälp av organisk syntetisk kemi.

Kontroll av interaktioner mellan molekyler leder till skapandet av den önskade, väldefinierad nanostruktur, på samma sätt som interaktioner mellan nukleinsyror i DNA ger upphov till dubbelhelixen.

"Vi kan alltså bygga material med en mycket exakt, konstruerad struktur, vilket resulterar i att materialet har de önskade elektroniska egenskaperna, " säger medförfattaren Marina Castelli, en Ph.D. student vid Monash Universitys School of Physics and Astronomy.

"Precis som bioorganismernas funktioner beror på interaktioner i nanoskala, de fysiska och elektroniska egenskaperna hos dessa nya material kommer från deras struktur på en molekylnivå, " förklarar Monash Research Fellow Dr. Cornelius Krull.

Bottom-up slår uppifrån och ner

Konventionella metoder för material nanotillverkning, såsom litografi, lita på "top-down" tillvägagångssätt, med material mönstrade genom borttagning av materia. Sådana metoder är begränsade till upplösningar av storleksordningen 1 nanometer i bästa fall.

Istället, "bottom-up"-metoder kan tillåta sub-nanometer mönsterupplösning, med potential för en högre nivå av kontroll och effektivitet av elektroniska egenskaper.

Dessutom, Att tillämpa "bottom-up"-syntesmetoder med en yta som substrat möjliggör nanostrukturer med egenskaper som inte kan uppnås med konventionella syntetiska metoder.

Nanomaterial baserade på metallorganiska molekylära komplex möjliggör ett stort antal användbara funktioner, både tekniska och biologiska, från katalys till solceller till gasavkänning och lagring.

I dessa system, morfologin i atomskala och den elektroniska konfigurationen av det metallorganiska koordinationsmotivet spelar en avgörande roll, dikterar deras övergripande elektroniska och kemiska egenskaper.

De två studierna

Uppsatsen "Designing Optoelectronic Properties by On-Surface Synthesis:Formation and Electronic Structure of an Iron-Terpyridine Macromolecular Complex, " publicerad i ACS Nano , beskriver energi och rumsligt beroende av de elektroniska tillstånden (ockuperade och obesatta) i den 1-D järnbaserade metallorganiska nanostrukturen, i ett energiområde nära Fermi-nivån, vilket kan vara användbart för optoelektroniska applikationer som solceller, fotokatalys och ljusavgivande anordningar.

Studera struktur och kemi på enatomsnivå Uppsatsen, "Järnbaserade trinukleära metallorganiska nanostrukturer på en yta med lokal laddningsackumulering, " publicerad i Naturkommunikation , beskriver i atomär skala den intramolekylära strukturen och laddningsfördelningen av det icke-triviala järn-molekyl-koordinationsmotivet, användbar för katalysapplikationer.