Teamet, som leds av forskare från University of California, Berkeley, har avslöjat hemligheterna bakom den spontana bildningen av dessa pajliknande strukturer, som består av fem triangulära domäner som strålar utåt från en central punkt. Deras studie, publicerad i tidskriften Nature Nanotechnology, belyser samspelet mellan molekylära interaktioner och geometri som driver detta unika självmonterande beteende.
Nyckelaktörerna i denna monteringsprocess är små organiska molekyler som kallas ftalocyaniner, närmare bestämt kopparftalocyaniner (CuPc). När dessa molekyler löses upp i ett lösningsmedel och sedan deponeras på ett substrat, genomgår de en anmärkningsvärd omvandling, självorganiserande till högt ordnade "pentagonala kvasikristaller".
Det som gör dessa strukturer så fascinerande är deras likhet med kvasikristaller, en klass av material som har lång räckviddsordning utan translationssymmetri. Med andra ord är molekylerna inom dessa strukturer arrangerade i ett upprepande mönster, men inte på ett regelbundet periodiskt sätt som traditionella kristaller.
För att förstå drivkrafterna bakom denna unika självmontering använde forskarna en kombination av experimentell teknik och teoretisk modellering. Deras resultat tyder på att de molekylära interaktionerna som är ansvariga för detta beteende involverar en delikat balans mellan attraktionskrafter och frånstötande krafter mellan CuPc-molekylerna.
Specifikt bidrar ftalocyaninernas stela molekylära struktur och deras tendens att bilda vätebindningar med närliggande molekyler till bildandet av dessa mycket organiserade mönster. Balansen mellan dessa interaktioner resulterar i uppkomsten av fem distinkta domäner, som liknar skivor av paj.
Teamet upptäckte också att storleken på de femkantiga kvasikristallerna kan kontrolleras exakt genom att justera koncentrationen av CuPc-molekylerna i lösningen. Denna inställning öppnar spännande möjligheter för tillverkning av funktionella nanomaterial och enheter med skräddarsydda egenskaper.
Den spontana självsammansättningen av CuPc-molekyler till femkantiga kvasikristaller ger ett anmärkningsvärt exempel på hur invecklade molekylära interaktioner kan ge upphov till komplexa och vackra strukturer i nanoskala. Resultaten av denna studie utökar inte bara vår förståelse av grundläggande självmonteringsprocesser utan banar också väg för design och konstruktion av nya material med potentiella tillämpningar inom elektronik, optik och andra tekniska områden.
