Un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università tecnica di Monaco (TUM) ha scoperto un percorso di reazione che produce strati esotici con strutture semiregolari. Questi tipi di materiali sono interessanti perché possiedono spesso proprietà straordinarie. Nel processo, molecole organiche semplici vengono convertite in unità più grandi che formano il complesso, modelli semiregolari. Con gli esperimenti a BESSY II a Helmholtz-Zentrum Berlino questo potrebbe essere osservato in dettaglio.

Solo alcune forme geometriche di base si prestano a rivestire una superficie senza sovrapposizioni o fughe utilizzando piastrelle di forma uniforme:triangoli, rettangoli ed esagoni. Con due o più forme di piastrelle sono possibili modelli regolari notevolmente più complessi e significativamente più complessi. Queste sono le cosiddette tassellature o tassellature di Archimede.

I materiali possono anche presentare caratteristiche di piastrellatura. Queste strutture sono spesso associate a proprietà molto speciali, per esempio conduttività elettrica insolita, speciale riflettività della luce o estrema resistenza meccanica. Ma, produrre tali materiali è difficile. Richiede grandi blocchi molecolari che non sono compatibili con i processi di produzione tradizionali.

Tessellazioni complesse attraverso l'auto-organizzazione

Un team internazionale guidato dai Professori Florian Klappenberger e Johannes Barth presso la Cattedra di Fisica Sperimentale di TUM, così come il professor Mario Ruben al Karlsruhe Institute of Technology, hanno ora fatto un passo avanti in una classe di reti supramolecolari:hanno ottenuto molecole organiche da combinare in blocchi più grandi con una piastrellatura complessa formata in modo auto-organizzato.

Come composto di partenza, usavano etinil iodofenantrene, una molecola organica facile da maneggiare comprendente tre anelli di carbonio accoppiati con un'estremità iodio e un alchino. Su un substrato d'argento, questa molecola forma una rete regolare con grandi maglie esagonali.

Il trattamento termico mette poi in moto una serie di processi chimici, produrre un romanzo, blocco da costruzione significativamente più grande che poi forma uno strato complesso con piccoli esagonali, pori rettangolari e triangolari virtualmente automaticamente e auto-organizzati. Nel linguaggio della geometria questo modello è indicato come tassellazione 3.4.6.4 semiregolare.

Economia dell'atomo attraverso il riciclaggio dei sottoprodotti

"Le misurazioni della microscopia a scansione a tunnel che abbiamo condotto al TUM mostrano chiaramente che la riorganizzazione molecolare coinvolge molte reazioni che normalmente porterebbero a numerosi sottoprodotti. In questo caso, però, i sottoprodotti vengono riciclati, il che significa che il processo complessivo viene eseguito con una grande economia di atomi - quasi il cento per cento di recupero - per arrivare al prodotto finale desiderato, " spiega il prof. Klappenberger.

I ricercatori hanno scoperto esattamente come ciò accade in ulteriori esperimenti. "Utilizzando misurazioni di spettroscopia a raggi X presso l'anello di immagazzinamento di elettroni BESSY II dell'Helmholtz-Zentrum Berlin, siamo stati in grado di decifrare come si scinde lo iodio dal prodotto di partenza, gli atomi di idrogeno si spostano in nuove posizioni e i gruppi alchini catturano l'atomo d'argento, ", spiega l'autore principale Yi-Qi Zhang.

Per via dell'atomo d'argento, due blocchi di partenza si legano insieme a un nuovo, blocco di costruzione più grande. Questi nuovi elementi costitutivi formano quindi la complessa struttura dei pori osservata.

"Abbiamo scoperto un approccio completamente nuovo per produrre materiali complessi da semplici blocchi organici, " riassume Klappenberger. "Questo è importante per la capacità di sintetizzare materiali con caratteristiche nuove ed estreme specifiche. Questi risultati contribuiscono anche a comprendere meglio l'aspetto spontaneo (emergenza) della complessità nei sistemi chimici e biologici".

Lo studio è pubblicato su Chimica della natura .