Un groupe de recherche international dirigé par le professeur Shiki Yagai de l'Université de Chiba a développé pour la première fois des polycaténanes auto-assemblés, structures composées d'anneaux de petites molécules entrelacés mécaniquement. Le groupe de recherche a également réussi à observer la structure géométrique des polycaténanes par microscopie à force atomique (AFM). Ce travail, publié dans la revue La nature , est le premier à réaliser la synthèse de nano-polycaténanes par auto-assemblage moléculaire sans utiliser de modèles moléculaires supplémentaires. Yagaï, professeur de chimie appliquée et de biotechnologie à l'Université de Chiba, voit cela comme la première étape vitale de l'innovation technologique pour créer des structures topologiques de la taille du nanomètre.

La synthèse du caténane a été largement étudiée, d'autant plus que Jean-Pierre Sauvage a mis au point une stratégie à base de métal pour synthétiser un caténane. En reconnaissance de leur travail de pionnier, Sauvage et deux autres chercheurs ont reçu le prix Nobel de chimie pour la conception et la synthèse de machines moléculaires en 2016. Les molécules des caténanes étant liées entre elles en une chaîne, les liens peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres. Cela rend la synthèse et la caractérisation de la structure très difficiles, surtout lorsque les anneaux ne sont pas maintenus ensemble par de fortes liaisons covalentes.

En modifiant le protocole d'auto-assemblage avec une stratégie modélisée, le groupe de recherche du Japon, Italie, La Suisse et le Royaume-Uni ont pu créer des polycaténanes comprenant des structures complexes composées de cinq anneaux imbriqués dans un arrangement linéaire similaire au symbole des Jeux Olympiques, suffisamment grandes pour être observées par microscopie à force atomique. En cherchant des méthodes pour purifier les nano-anneaux, le groupe de recherche a découvert que l'ajout des anneaux à une solution de monomère chaude facilite la formation de nouveaux assemblages à la surface des anneaux, un processus connu sous le nom de nucléation secondaire. Sur la base de ce constat, le groupe de recherche a examiné les conditions optimales pour la nucléation secondaire et a réussi à créer du poly[22]caténane composé de jusqu'à 22 anneaux connectés. En observant ce poly[22]caténane par microscopie à force atomique, il a été confirmé que la structure atteignait jusqu'à 500 nm de longueur.

« La découverte innovante de cette recherche réside dans l'utilisation de la caractéristique d'auto-assemblage des molécules, " explique le professeur Yagai. " Nous avons pu créer des structures géométriques complexes à méso-échelle sans utiliser de méthodes synthétiques complexes. Cela ouvre la voie à la création de composés géométriques encore plus complexes tels que le rotaxane et les nœuds en trèfle à une échelle similaire. Comme les assemblages moléculaires utilisés dans cette recherche sont constitués de molécules qui réagissent à la lumière et à l'électricité, cette découverte peut potentiellement être appliquée à l'électronique organique et à la photonique, et d'autres machines moléculaires."