Zasiej fulereny, a wyrośnie nanostruktura

Wzrost drugiej warstwy kwasu tuż po naniesieniu fulerenów: w tle widać warstwę pierwotną. (c) Nature

Nanostruktury atakują trzeci wymiar, i to w dodatku przy minimalnej pomocy człowieka. Naukowcy z University of Nottingham, gdzie działa jedna z najsilniejszych obecnie grup zajmujących się nanotechnologią, pokazali, w jaki sposób można zaprojektować nanostruktury, które będą same układać się w trójwymiarowej przestrzeni w żądany sposób. Wykorzystali w tym celu zjawisko samoorganizacji w sieciach typu gość-gospodarz.

Spontaniczne organizowanie się molekuł (self-assembly) jest szeroko znanym sposobem na projektowanie nanostruktur. Wykorzystuje się w tym celu cząsteczki organiczne, które mogą łączyć się ze sobą przy pomocy wiązania wodorowego, a więc atom jednej cząsteczki łączy się z atomem drugiej poprzez wodór, który należy do jednej z molekuł. Proton wtedy „oddala się” nieco od atomu, z którym był pierwotnie połączony i tworzy pewien rodzaj mostu pomiędzy molekułami, nie zmieniając jednak swojej „przynależności” do pierwotnej cząsteczki. Grupę oddającą wodór nazywa się donorową, grupę przyjmującą – akceptorem.

Można to zjawisko wykorzystać, jeśli cząsteczki mają odpowiednie kształty, a miejsca, które mogą się połączyć przy pomocy wiązania wodorowego są ściśle określone. Wtedy w roztworze takich molekuł, umieszczonym na podłożu, dochodzi do samoorganizacji – molekuły układają się na podłożu względem siebie tak, aby powstało między nimi jak najwięcej wiązań wodorowych. Jeśli uważnie zaprojektujemy molekułę, można w taki sposób uzyskać dwuwymiarową, dużą nanostrukturę. Niestety, jak dotąd – tylko płaską.

ResearchBlogging.orgPraca grupy Neila Champnessa i Petera Betona, opublikowana w najnowszym „Nature Chemistry”, to pierwsza udana próba zaprojektowania samoorganizującej się nanostruktury przestrzennej. Na czym polega sztuczka? Naukowcy wykorzystali samoorganizację w roztworze cząsteczek specjalnego kwasu organicznego – kwasu tetrakarboksylowego, który dysponuje czterema grupami donorowymi i czterema akceptorowymi. Ma on tendencję do układania się w dwuwymiarowe heksagonalne warstwy, tworząc przy okazji pory o kilkunastonanometrowej średnicy. Aby sprowokować strukturę do wzrostu w trzeci wymiar, na tak przygotowanej warstwie rozprowadzono roztwór fulerenów – słynnych molekuł węgla C60, przypominających piłkę futbolową. Jak się okazało, fulereny zajęły miejsca wyznaczone przez pory w nanostrukturze. Co więcej, sprawiły, że pomiędzy nimi zaczęła się formować kolejna warstwa cząsteczek kwasu, połączona wiązaniami wodorowymi. Na niej natomiast zbudowała się trzecia warstwa, która znów mogła przyjąć na siebie fulereny. Można także cofnąć proces samoorganizacji fulerenów, na przykład dodając roztwór płaskich cząsteczek aromatycznych, które wypierają je z uprzywilejowanych miejsc na warstwach kwasu.

Schemat, pokazujący, jak układają się fulereny względem warstwy kwasu karboksylowego. (c) Nature

Sami naukowcy, aby lepiej uzmysłowić mechanizm takiej samoorganizacji, używają następującej metafory: wyobraźmy sobie, że podrzucamy pewną ilość cegieł; dzięki samoorganizacji cegły upadają, tworząc już budynek.

Struktury, w których mamy do czynienia z jedną siecią, tworzącą powiązany ze sobą szkielet, i molekułami, które wchodzą w znajdujące się w niej puste miejsca, nazywa się fachowo sieciami host-guest – gospodarz-gość. Gospodarzem w tym przypadku jest tu sieć kwasu karboksylowego. Gościem – fulereny. Sieci te, także w kryształach, wzbudzają ogromne zainteresowanie badaczy, ze względu na możliwości, jakie oferują: wystarczy zbudować „molekularny szkielet” o odpowiednio dużych pustych przestrzeniach pomiędzy cząsteczkami, aby móc w nich łatwo umieszczać np. cząsteczki funkcjonalne w zadanym stężeniu i strukturze.

Naukowcy opracowali także specjalny algorytm na potrzeby symulacji, jak osadzają się cząsteczki, co pomogło w zaprojektowaniu materiału. Sam artykuł grupy z Nottingham jest też popisem sprawności eksperymentalnej, jeśli chodzi o posługiwanie się skaningowym mikroskopem tunelowym (STM). Wzrost struktury jest udokumentowany przepięknymi, klarownymi obrazami – możemy podziwiać zdjęcia o rozdzielczości atomowej, krok po kroku obserwując wzrost struktury.

(a) obszar, w którym struktura została usunięta przy pomocy cząsteczek koronenu; (b)-(h) ponowne tworzenie się nanostruktury na oczyszczonym obszarze. Zdjęcia wykonano przy pomocy mikroskopu STM. (c) Nature

 

Źródło:

Blunt, M., Russell, J., Gimenez-Lopez, M., Taleb, N., Lin, X., Schröder, M., Champness, N., & Beton, P. (2010). Guest-induced growth of a surface-based supramolecular bilayer Nature Chemistry DOI: 10.1038/nchem.901

Teresa Kubacka

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s

%d blogerów lubi to: