En internationell forskargrupp ledd av Chiba University Professor Shiki Yagai har för första gången utvecklat självmonterade polykatenaner, strukturer som består av mekaniskt sammankopplade små molekylringar. Forskargruppen lyckades också observera polykatenanernas geometriska struktur via atomkraftsmikroskopi (AFM). Detta jobb, publiceras i tidskriften Natur , är den första som uppnår syntes av nanopolycatenaner genom molekylär självmontering utan att använda ytterligare molekylära mallar. Yagai, professor i tillämpad kemi och bioteknik vid Chiba University, ser detta som det första viktiga steget i teknisk innovation för att skapa nanometerstora topologiska strukturer.

Katenansyntes har undersökts mycket, speciellt eftersom Jean-Pierre Sauvage utarbetade en metallmallstrategi för att syntetisera en katenan. Som ett erkännande för deras banbrytande arbete, Sauvage och två andra forskare tilldelades Nobelpriset i kemi för design och syntes av molekylära maskiner 2016. Eftersom molekylerna i katenaner är sammanlänkade till en kedja, länkarna kan röra sig relativt varandra. Detta gör syntes och karakterisering av strukturen mycket svår, särskilt när ringarna inte hålls samman av starka kovalenta bindningar.

Genom att modifiera självmonteringsprotokollet med en mallstrategi, forskargruppen från Japan, Italien, Schweiz och Storbritannien kunde skapa polykatenaner inklusive komplexa strukturer bestående av fem sammankopplade ringar i ett linjärt arrangemang som liknar OS -symbolen, som var tillräckligt stora för att kunna observeras med atomkraftsmikroskopi. När du letar efter metoder för att rena nano-ringarna, forskargruppen fann att tillsats av ringarna till het monomerlösning underlättar bildandet av nya sammansättningar på ytan av ringarna, en process som kallas sekundär kärnbildning. Baserat på detta fynd, forskargruppen undersökte optimala förhållanden för sekundär kärnbildning och skapade framgångsrikt poly[22]katenan som består av så många som 22 sammankopplade ringar. Genom att observera denna poly [22] catenane genom atomkraftsmikroskopi, det bekräftades att strukturen nådde upp till 500 nm i längd.

"Det innovativa resultatet av denna forskning ligger i utnyttjandet av molekylernas egensammansättningsegenskaper, " säger professor Yagai. "Vi kunde skapa intrikata geometriska strukturer i mesoskala utan att använda komplexa syntetiska metoder. Detta banar vägen för att skapa ännu mer komplexa geometriska föreningar som rotaxan och trefoilknutar i liknande skala. Eftersom de molekylära sammansättningarna som används i denna forskning består av molekyler som reagerar på ljus och elektricitet, denna upptäckt kan potentiellt tillämpas på organisk elektronik och fotonik, och andra molekylära maskiner."