Les nanosciences peuvent organiser de minuscules entités moléculaires en motifs nanométriques de manière ordonnée à l'aide de protocoles d'auto-assemblage. Des scientifiques de l'Université technique de Munich (TUM) ont fonctionnalisé un simple bloc de construction en forme de tige avec des acides hydroxamiques aux deux extrémités. Ils forment des réseaux moléculaires qui présentent non seulement la complexité et la beauté de l'auto-assemblage monocomposant sur les surfaces; ils présentent également des propriétés exceptionnelles.

La conception de composants pour l'auto-assemblage moléculaire nécessite des fonctionnalités qui « s'emboîtent ». Par exemple, notre information génétique est codée dans deux brins d'ADN, zippé ensemble dans une structure à double hélice « escalier en colimaçon » dans un processus d'auto-assemblage qui est stabilisé par liaison hydrogène.

Inspirés par les « fermetures à glissière » de la nature, des chercheurs de l'Université technique de Munich visent à construire des nanostructures fonctionnelles pour repousser les limites des structures artificielles.

Blocs de construction pour les nanostructures complexes

Scientifiques de l'Université technique de Munich, diverses disciplines, nationalité et genre, ont uni leurs forces pour explorer une nouvelle caractéristique des architectures bidimensionnelles :un groupe chimique nommé acide hydroxamique.

Un élément conceptuel simple a été préparé à la Chaire de protéomique et bioanalytique :une molécule en forme de tige avec un groupe acide hydroxamique à chaque extrémité. Cette brique a ensuite été transférée à la Chaire de physique des surfaces et des interfaces, où son assemblage a été inspecté sur des surfaces d'argent et d'or atomiquement planes.

Un réseau nano-poreux

Une combinaison d'outils de microscopie avancés, Les recherches sur la spectroscopie et la théorie fonctionnelle de la densité ont révélé que le bloc de construction moléculaire adapte quelque peu sa forme à l'environnement de la surface de support et de ses molécules voisines. Cela offre une variété inhabituelle de motifs de surface supramoléculaires :deux à six molécules maintenues ensemble par des interactions intermoléculaires.

Seule une poignée de ces motifs s'auto-organisaient en cristaux 2D. Parmi eux, un réseau sans pareil a émergé, dont les motifs évoquent des images de citrons tranchés, flocons de neige ou rosettes. Ils comportent trois pores de tailles différentes capables de contenir de petites molécules de gaz individuelles telles que le monoxyde de carbone dans les plus petites, ou de petites protéines comme l'insuline dans la plus grande.

"À cet égard, c'est une étape importante dans les tessellations réalisées par les nanostructures moléculaires et le nombre de pores différents exprimés dans les réseaux cristallins 2-D, " dit le Dr Anthoula Papageorgiou, dernier auteur de la publication. « Il offre ainsi des opportunités uniques dans la nano-templation bottom-up, que nous explorerons plus avant."

Nanocages avec une torsion

Comme nos mains gauche et droite, la forme de deux structures de cage en miroir ne peut pas être superposée. Depuis le 19ème siècle, les universitaires ont qualifié ce type de symétrie d'objet de « chirale, ' du grec ancien qui signifie 'main'. Ces types de molécules se trouvent fréquemment dans les composés naturels. La chiralité influence les interactions de la lumière polarisée et des propriétés magnétiques et joue un rôle vital dans la vie.

Par exemple, nos récepteurs olfactifs réagissent très différemment aux deux images miroir de la molécule de limonène :l'une sent le citron, l'autre comme le pin. Cette reconnaissance dite chirale est un processus qui peut déterminer si une molécule agit comme un médicament ou un poison.

Les parois internes des cages de nanostructures obtenues offrent des sites qui peuvent diriger des molécules invitées. Les chercheurs ont observé un tel processus dans certains des pores les plus gros, où trois des mêmes molécules se sont réunies en un objet chiral. À température ambiante, cet objet est en mouvement, comme une ballerine de boîte à musique, conduisant à une image floue.

Dans leurs futurs travaux, l'équipe espère piloter ce genre de phénomènes pour la reconnaissance chirale et les nano-machines artificielles.