Nanovetenskap kan ordna små molekylära enheter i nanometriska mönster på ett ordnat sätt med hjälp av självmonteringsprotokoll. Forskare vid Tekniska universitetet i München (TUM) har funktionaliserat en enkel stavliknande byggsten med hydroxamsyror i båda ändar. De bildar molekylära nätverk som inte bara visar komplexiteten och skönheten hos enkomponents självmontering på ytor; de uppvisar också exceptionella egenskaper.

Att designa komponenter för molekylär självmontering kräver funktioner som "låser ihop." Till exempel, vår genetiska information är kodad i två DNA-strängar, sammandragna i en "spiraltrappa" dubbelhelixstruktur i en självmonteringsprocess som stabiliseras av vätebindning.

Inspirerade av naturens "dragkedjor" siktar forskare vid Münchens tekniska universitet på att konstruera funktionella nanostrukturer för att tänja på gränserna för konstgjorda strukturer.

Byggstenar för komplexa nanostrukturer

Forskare vid Münchens tekniska universitet, varierande i disciplin, nationalitet och kön, gick samman för att utforska en ny funktion i tvådimensionella arkitekturer:en kemisk grupp som heter hydroxamsyra.

En konceptuellt enkel byggsten framställdes vid Chair of Proteomics and Bioanalytics:en stavliknande molekyl med en hydroxamsyragrupp i varje ände. Denna byggsten överfördes sedan till ordföranden för yt- och gränssnittsfysik, där dess montering inspekterades på atomärt plana silver- och guldytor.

Ett nanoporöst nätverk

En kombination av avancerade mikroskopiverktyg, spektroskopi och densitetsfunktionella teoriundersökningar visade att den molekylära byggstenen anpassar sin form något i miljön av den stödjande ytan och dess närliggande molekyler. Detta ger en ovanlig mångfald av supramolekylära ytmotiv:två till sex molekyler som hålls samman av intermolekylära interaktioner.

Endast en handfull av dessa motiv självorganiserade till 2D-kristaller. Bland dem, ett nätverk utan motstycke uppstod, vars mönster framkallar bilder av skivade citroner, snöflingor eller rosetter. De har tre olika stora porer som bekvämt kan hålla enskilda små gasmolekyler som kolmonoxid i den minsta, eller små proteiner som insulin i den största.

"I detta avseende, det är en milstolpe i de tesselleringar som uppnås av molekylära nanostrukturer och antalet olika porer som uttrycks i kristallina 2D-nätverk, " säger Dr Anthoula Papageorgiou, publikationens sista författare. "Den erbjuder därför unika möjligheter i bottom-up nano-template, som vi kommer att utforska vidare."

Nanocages med en twist

Som våra vänster och höger händer, Formen på två speglade burstrukturer kan inte överlagras. Sedan 1800-talet, akademiker har karakteriserat denna typ av objektsymmetri som 'kiral, ' från den antika grekiska som betyder 'hand'. Dessa typer av molekyler finns ofta i naturliga föreningar. Kiralitet påverkar interaktioner av polariserat ljus och magnetiska egenskaper och spelar en viktig roll i livet.

Till exempel, våra luktreceptorer reagerar väldigt olika på de två spegelbilderna av limonenmolekylen:den ena luktar citron, den andra som tall. Denna så kallade kirala igenkänning är en process som kan avgöra om en molekyl fungerar som medicin eller gift.

De inre väggarna i de erhållna nanostrukturburarna erbjuder platser som kan styra gästmolekyler. Forskarna observerade en sådan process i några av de större porerna, där tre av samma molekyler samlas som ett kiralt objekt. Vid rumstemperatur, detta föremål är i rörelse, som en speldosa ballerina, leder till en suddig bild.

I deras framtida arbete, teamet hoppas kunna styra den här typen av fenomen för kiral igenkänning och konstgjorda nanomaskiner.