Ученые из Боннского университета разработали молекулярную структуру, которая может охватывать графитовые поверхности с морем миниатюрных флагштоков с флагами. Свойства покрытия очень разнообразны. Это может стать основой для создания новых катализаторов. Соединения также могут быть идеальными для определения наномеханических свойств белков.

Результаты были заранее опубликованы в Интернете в журнале « Angewandte Chemie ». В настоящее время опубликовано и печатное издание, на обложке которого изображена часть моря флагов.

Стандартным строительным блоком покрытия поверхности является большое молекулярное кольцо. Он стабилизирован изнутри спицами и, таким образом, имеет определенное сходство со звездой Mercedes. Кроме того, кольцо состоит из трех маленьких рук, ориентированных наружу.

Каждая рука может захватывать руку следующего кольца. Это позволяет молекулам соединяться вместе, образуя массивную пластинчатую ткань без какого-либо внешнего вмешательства. Для этого достаточно окунуть часть графита (который, например, является материалом, из которого состоят грифели карандашей) в раствор этих колец. Как по волшебству, они затем довольно быстро охватывают поверхность графита сетчатой ​​структурой.

Размер ячейки сетки можно точно изменить, изменив длину плеч. Однако реальное значение покрытия заключается в другом варианте изменения.

Мы можем прикрепить к центру колец крошечные шесты разной длины. Затем мы можем, в свою очередь, прикрепить к ним другие молекулы, как флаги на флагштоке.

Проф. Д-р Сигурд Хёгер, Институт органической химии и биохимии им. Кекуле, Боннский университет

Проф. Доктор Сигурд Хёгер возглавлял исследование вместе с доктором Стефаном-Свеном Йестером (также Институтом Кекуле) и профессором доктором Стефаном Гримме из Центра теоретической химии Малликена

Миниатюрное море флагов

Расстояния между полюсами довольно большие, что позволяет даже очень громоздким молекулам застревать на концах, не пересекая пути друг друга. С одной стороны, они удерживаются на месте шестами, а с другой стороны, они не ограничены в движении, как флаг на ветру. Кроме того, они легко доступны для веществ в растворе и могут реагировать с ними.

Это может позволить реализовать новые катализаторы. Потенциально это позволит провести химические реакции, которые ранее были невозможны или возможны только с большими усилиями.

Проф. Д-р Сигурд Хёгер, Институт органической химии и биохимии Кекуле, Боннский университет

Теоретически любые молекулы могут прилипать к концам флагштоков. В будущем это также должно позволить, например, измерять наномеханические свойства белков. Для этого белковая молекула удерживалась на месте флагштоком, а затем разрывалась своего рода «захватной рукой».

Белки состоят из длинных нитей, но большинство из них свернуто в компактные сферы, что придает им характерную форму. Силы, действующие на формирование последнего, можно было бы более точно определить с помощью таких экспериментов.

Проф. Д-р Сигурд Хёгер, Институт органической химии и биохимии Кекуле, Боннский университет

В лаборатории доктора Джестера молекулы, образованные Хёгером и его партнерами, были помещены на графит и проанализированы с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Кроме того, с помощью компьютера они воспроизвели структуру поверхности молекул флага.

«Это позволило нам показать, что молекулы на самом деле организуются и ведут себя точно так, как предсказывают наши концепции и теория», объясняет Джестер, который, как Хегер и Гримме, является членом Трансдисциплинарной Область исследований «Строительные блоки материи и фундаментальных взаимодействий» (TRA Matter) в Боннском университете

Имитация динамики таких огромных и сложных молекул требует огромных вычислительных ресурсов. За последние несколько лет команда профессора Гримме сформулировала передовые подходы, которые делают это возможным.

«Мы можем использовать эти методы, например, чтобы различать гибко и жестко связанные молекулы в моделировании и прогнозировать их поведение», – поясняет Гримм.

Среди других молекул боннские исследователи прикрепили к флагштокам структуру, напоминающую футбольный мяч, так называемый фуллерен. Он мог свободно висеть на вершине каждой мачты, удерживаясь на месте своего рода нано-шнуром.

«Мы действительно можем увидеть это движение фуллеренов, предсказанное компьютерным моделированием, на изображениях, полученных с помощью нашего сканирующего туннельного микроскопа», – говорит Джестер.

Это потому, что изображения молекулярных футбольных мячей нечеткие, а нечеткие: это все равно что фотографировать настоящий мяч на веревке, раскачивающийся взад и вперед на ветру при слабом освещении. С другой стороны, плотно прикрепленные контрольные молекулы четко видны на изображениях, полученных с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Ссылка на журнал:

Полуэктов Г., и др. . (2021) Супрамолекулярные нанограммы колес со спицами с ортогональными столбами: наблюдение фуллереновой дымки. Angewandte Chemie . doi.org/10.1002/anie.202111869.

Источник: https://www.uni-bonn.de/en[19459009visible