Forskare vid universitetet i Bonn har utvecklat en molekylstruktur som kan täcka grafititor med ett hav av små flaggade "flaggstänger". Egenskaperna hos denna beläggning är mycket varierande. Det kan ge en grund för utvecklingen av nya katalysatorer. Föreningarna kan också vara lämpliga för att mäta de nanomekaniska egenskaperna hos proteiner. Resultaten publicerades online i förväg i tidskriften Angewandte Chemie . Nu har den tryckta upplagan kommit ut som visar en del av flagghavet som omslagsbild.

Ytbeläggningens grundläggande byggsten är en stor molekylär ring. Den stabiliseras på insidan av ekrar och har därför en viss likhet med en Mercedes-stjärna. Dessutom har ringen tre små armar som pekar utåt. Var och en av dem kan ta tag i armen på en annan ring. Detta gör att molekylerna kan gå samman för att bilda en enorm arkliknande vävnad utan någon yttre inblandning. För detta räcker det att doppa en bit grafit (vilket är materialet som blyertspennor till exempel är gjorda av) i en lösning av dessa ringar. Som genom ett trollslag täcker dessa sedan grafitytan med en nätliknande struktur inom kort tid.

Nätets maskstorlek kan justeras exakt genom att ändra längden på armarna. Den verkliga höjdpunkten med beläggningen ligger dock i ett annat modifieringsalternativ:"Vi kan fästa små stolpar av olika längd till mitten av ringarna", förklarar Prof. Dr. Sigurd Höger från Kekulé Institute for Organic Chemistry and Biochemistry vid universitetet i Bonn. Han ledde studien tillsammans med Dr. Stefan-Sven Jester (även Kekulé-institutet) och Prof. Dr. Stefan Grimme från Mulliken Center for Theoretical Chemistry. "Vi kan sedan i sin tur fästa andra molekyler till dem, som flaggor på en flaggstång."

Ett hav av flaggor i miniatyr

Avstånden mellan polerna är så stora att även mycket skrymmande molekyler kan fästas på deras spetsar utan att komma i vägen för varandra. De hålls då på plats av stängerna å ena sidan, men är samtidigt fria att röra sig som en flagga i vinden. Dessutom är de lättillgängliga för ämnen i lösningen och kan reagera med dem. "Detta kan göra att nya katalysatorer kan realiseras", spekulerar Höger. "Potentiellt kommer detta att möjliggöra kemiska reaktioner som tidigare var omöjliga eller endast möjliga med stor ansträngning."

Vilka molekyler som helst kan i princip fästas på spetsarna på flaggstängerna. I framtiden bör detta även göra det möjligt att till exempel mäta proteiners nanomekaniska egenskaper. För att göra detta skulle proteinmolekylen hållas av flaggstången och sedan dras isär med en slags "griparm". – Proteiner består av långa filament, men de flesta är vikta till kompakta sfärer, vilket ger dem sin karaktäristiska form, säger Höger. "Krafterna som verkar i bildningen av den senare kan bestämmas mer exakt av sådana experiment."

I Dr Jesters laboratorium deponerades molekylerna som producerats av Höger och hans medarbetare på grafit och undersöktes med ett scanning tunnelmikroskop. Dessutom simulerades även flaggmolekylernas ytmönster på datorn. "Det här gjorde det möjligt för oss att visa att molekylerna faktiskt ordnar sig och beter sig exakt som förutspått av våra koncept och teorin", förklarar Jester, som liksom Höger och Grimme är medlem i det transdisciplinära forskningsområdet "Building Blocks of Matter and Fundamental". Interaktioner" (TRA Matter) vid universitetet i Bonn.

Att simulera dynamiken hos så stora och komplexa molekyler kräver enorma beräkningsresurser. Prof. Grimmes forskargrupp har de senaste åren utvecklat sofistikerade metoder som ändå gör detta möjligt. "Vi kan till exempel använda dessa metoder för att skilja mellan flexibla och styvt bundna molekyler i simuleringen och för att förutsäga deras beteende", förklarar Grimme.

Bland andra molekyler fäste Bonn-laget en fotbollsliknande struktur på flaggstängerna, en så kallad fulleren. Där kunde den dingla fritt runt toppen av varje mast som hölls av en sorts nano-lina. "Vi kan faktiskt se denna rörelse av fullerenerna, förutspådd av datorsimuleringar, i våra scanning tunnelmikroskopbilder," säger Jester. Det beror på att bilderna på de molekylära fotbollarna inte är skarpa, utan suddiga:Ungefär som att fotografera en riktig boll på ett snöre som rör sig fram och tillbaka i vinden i svagt ljus. Styvt fästa referensmolekyler, å andra sidan, är tydligt synliga i scanning tunnelmikroskopbilder. + Utforska vidare

Forskare skapar nya molekyler som fungerar som ziplines för energi