Modello di una molecola molecolare a forma di stella Mercedes. L'asta della bandiera in cima ha un fullerene attaccato, il cui movimento è visualizzato anche qui usando un effetto sbavato. Il modello compare anche sulla copertina dell'attuale numero di Angewandte Chemie . Credito:Joshua Bahr/Uni Bonn
I ricercatori dell'Università di Bonn hanno sviluppato una struttura molecolare in grado di ricoprire le superfici di grafite con un mare di minuscoli "asta della bandiera". Le proprietà di questo rivestimento sono molto variabili. Può fornire una base per lo sviluppo di nuovi catalizzatori. I composti potrebbero anche essere adatti per misurare le proprietà nanomeccaniche delle proteine. I risultati sono stati pubblicati in anticipo online sulla rivista Angewandte Chemie . Ora è stata pubblicata l'edizione cartacea, che mostra come immagine di copertina una parte del mare di bandiere.
L'elemento costitutivo di base del rivestimento superficiale è un grande anello molecolare. È stabilizzato all'interno da raggi e quindi ha una certa somiglianza con una stella Mercedes. Inoltre, l'anello ha tre piccole braccia che puntano verso l'esterno. Ognuno di loro può afferrare il braccio di un altro anello. Ciò consente alle molecole di unirsi per formare un enorme tessuto simile a un foglio senza alcun intervento esterno. Per questo è sufficiente immergere un pezzo di grafite (che è il materiale di cui sono fatte, ad esempio, le mine delle matite) in una soluzione di questi anelli. Come per magia, questi ricoprono in breve tempo la superficie della grafite con una struttura a rete.
La dimensione della maglia della rete può essere regolata con precisione modificando la lunghezza delle braccia. Il vero punto forte del rivestimento, tuttavia, sta in un'altra opzione di modifica:"Possiamo attaccare minuscoli pali di diverse lunghezze al centro degli anelli", spiega il Prof. Dr. Sigurd Höger del Kekulé Institute for Organic Chemistry and Biochimica presso il Università di Bonn. Ha condotto lo studio insieme al Dr. Stefan-Sven Jester (anche Kekulé Institute) e al Prof. Dr. Stefan Grimme del Mulliken Center for Theoretical Chemistry. "Possiamo quindi a nostra volta attaccare altre molecole ad esse, come le bandiere a un pennone."
Un mare di bandiere in miniatura
Le distanze tra i poli sono così grandi che anche molecole molto voluminose possono essere attaccate alle loro punte senza intralciarsi a vicenda. Sono quindi tenuti in posizione dai pali da un lato, ma allo stesso tempo sono liberi di muoversi come una bandiera al vento. Inoltre, sono facilmente accessibili alle sostanze nella soluzione e possono reagire con esse. "Questo potrebbe consentire la realizzazione di nuovi catalizzatori", ipotizza Höger. "Potenzialmente, ciò consentirà reazioni chimiche che in precedenza erano impossibili o possibili solo con un grande sforzo."
In linea di principio, qualsiasi molecola può essere attaccata alle punte dei pennoni. In futuro, ciò dovrebbe consentire anche, ad esempio, di misurare le proprietà nanomeccaniche delle proteine. Per fare ciò, la molecola proteica verrebbe trattenuta dall'asta della bandiera e quindi separata con una specie di "braccio di presa". "Le proteine sono costituite da lunghi filamenti, ma la maggior parte di esse è piegata in una sfera compatta, che conferisce loro la forma caratteristica", afferma Höger. "Le forze all'opera nella formazione di quest'ultimo potrebbero essere determinate in modo più accurato da tali esperimenti."
Nel laboratorio del Dr. Jester, le molecole prodotte da Höger e dai suoi collaboratori sono state depositate su grafite ed esaminate con un microscopio a scansione a effetto tunnel. Inoltre, sono stati simulati al computer anche i modelli di superficie delle molecole di bandiera. "Questo ci ha permesso di dimostrare che le molecole si dispongono effettivamente e si comportano esattamente come previsto dai nostri concetti e dalla teoria", spiega Jester, che, come Höger e Grimme, è membro dell'Area di ricerca transdisciplinare "Building Blocks of Matter and Fundamental Interazioni" (TRA Matter) presso l'Università di Bonn.
La simulazione della dinamica di molecole così grandi e complesse richiede enormi risorse computazionali. Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca del Prof. Grimme ha sviluppato metodi sofisticati che tuttavia lo rendono possibile. "Possiamo utilizzare questi metodi, ad esempio, per distinguere nella simulazione tra molecole legate in modo flessibile e rigido e per prevederne il comportamento", spiega Grimme.
Tra le altre molecole, la squadra di Bonn ha attaccato ai pennoni una struttura simile a un calcio, un cosiddetto fullerene. Lì poteva penzolare liberamente intorno alla sommità di ogni albero tenuto da una specie di nano-corda. "Possiamo effettivamente vedere questo movimento dei fullereni, previsto dalle simulazioni al computer, nelle nostre immagini al microscopio a scansione di tunnel", afferma Jester. Questo perché le immagini dei palloni molecolari non sono nitide, ma sfocate:proprio come fotografare una vera palla su una corda che si muove avanti e indietro nel vento in condizioni di scarsa illuminazione. Le molecole di riferimento rigidamente attaccate, d'altra parte, sono chiaramente visibili nelle immagini del microscopio a tunneling a scansione. + Esplora ulteriormente
