Химики из Университета Тиба совместно с коллегами из Великобритании и Швейцарии впервые смогли создать и наблюдать процесс самосборки поликатенанов — соединений, состоящих из механически сцепленных молекулярных колец. Для наблюдения ученые использовали атомно-силовую микроскопию.

Статья исследователей опубликована в журнале Nature.

Катенаны — это химические соединения, состоящие из двух или более кольцевых молекул, которые механически сцеплены друг с другом. На основе этих соединений ученые ранее создали молекулярные машины, за что получили Нобелевскую премию по химии 2016 года.

Поскольку кольцевые молекулы в катенанах соединены в цепь, звенья могут перемещаться относительно друг друга. Это делает синтез и характеристику структуры очень трудными, особенно когда кольца не связываются друг с другом с помощью сильных ковалентных связей.

Авторы новой работы смогли создать поликатенаны, которые состоят из сложных структур — пяти взаимосвязанных колец, расположенных линейно. Это очень похоже на символ Олимпийских игр в наномасштабе, но настолько большой, что его можно наблюдать с помощью атомно-силовой микроскопии. Китайские исследователи старались найти методы очистки наноколец, но обнаружили, что добавление этих молекул в горячий раствор мономера облегчает образование новых структур на поверхности колец. Этот процесс известен как вторичная нуклеация.

Взяв за основу этот результат, ученые смогли подобрать оптимальные условия для вторичной нуклеации и успешно создали поли[22]катенан — молекулу, содержащую 22 связанных кольца. Наблюдая этот молекулярный ансамбль с помощью атомно-силовой микроскопии, исследователи подтвердили, что структура может достигать длины в 500 нм.

«Один из главных выводов этого исследования заключается в использовании самосборки молекул, — говорит один из исследователей, профессор Университета Тиба Шики Ягаи. — Мы смогли создать сложные геометрические структуры в мезомасштабе без использования сложных синтетических методов. Это прокладывает путь к созданию еще более сложных геометрических соединений, таких как «ротаксан» и «узел трилистника» в аналогичном масштабе. Поскольку молекулярные сборки, используемые в этом исследовании, состоят из колец, которые реагируют на свет и электрический ток, результаты нашего исследования потенциально можно использовать для создания органической электроники и фотоники, а также новых молекулярных машин».