Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal professor Shiki Yagai dell'Università di Chiba ha sviluppato per la prima volta policatenani autoassemblati, strutture costituite da piccoli anelli molecolari interconnessi meccanicamente. Il gruppo di ricerca è anche riuscito ad osservare la struttura geometrica dei policatenani tramite microscopia a forza atomica (AFM). Questo lavoro, pubblicato sulla rivista Natura , è il primo ad ottenere la sintesi di nano-policatenani attraverso l'autoassemblaggio molecolare senza l'utilizzo di modelli molecolari aggiuntivi. Yagai, un professore di chimica applicata e biotecnologia presso l'Università di Chiba, vede questo come il primo passo fondamentale nell'innovazione tecnologica per la creazione di strutture topologiche di dimensioni nanometriche.

La sintesi del catenane è stata ampiamente studiata, soprattutto da quando Jean-Pierre Sauvage ha ideato una strategia basata su modelli metallici per sintetizzare un catenano. In riconoscimento del loro lavoro pionieristico, Sauvage e altri due ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari nel 2016. Poiché le molecole nei catenani sono collegate tra loro in una catena, i collegamenti possono spostarsi l'uno rispetto all'altro. Questo rende molto difficile la sintesi e la caratterizzazione della struttura, soprattutto quando gli anelli non sono tenuti insieme da forti legami covalenti.

Modificando il protocollo di autoassemblaggio con una strategia basata su modelli, il gruppo di ricerca dal Giappone, Italia, La Svizzera e il Regno Unito sono stati in grado di creare policatenani comprendenti strutture complesse costituite da cinque anelli interconnessi in una disposizione lineare simile al simbolo dei Giochi Olimpici, abbastanza grandi da essere osservati al microscopio a forza atomica. Durante la ricerca di metodi per purificare i nano-anelli, il gruppo di ricerca ha scoperto che l'aggiunta degli anelli alla soluzione di monomero caldo facilita la formazione di nuovi assemblaggi sulla superficie degli anelli, un processo noto come nucleazione secondaria. Sulla base di questa constatazione, il gruppo di ricerca ha esaminato le condizioni ottimali per la nucleazione secondaria e ha creato con successo il poli[22]catenano composto da ben 22 anelli collegati. Osservando questo poli[22]catenano al microscopio a forza atomica, è stato confermato che la struttura raggiungeva fino a 500 nm di lunghezza.

"La scoperta innovativa di questa ricerca risiede nell'utilizzo della caratteristica di autoassemblaggio delle molecole, " afferma il professor Yagai. "Siamo stati in grado di creare complesse strutture geometriche in mesoscala senza utilizzare metodi sintetici complessi. Questo apre la strada alla creazione di composti geometrici ancora più complessi come rotaxane e nodi trilobati in una scala simile. Poiché gli assemblaggi molecolari utilizzati in questa ricerca sono costituiti da molecole che reagiscono alla luce e all'elettricità, questa scoperta può essere potenzialmente applicata all'elettronica organica e alla fotonica, e altre macchine molecolari."