Міжнародна команда дослідників, очолювана Технічним університетом Мюнхена (TUM), виявила шлях, який створює екзотичні шари з напіврегулярними структурами. Такі матеріали цікаві, тому що вони часто мають надзвичайні властивості. При цьому прості органічні молекули перетворюються на більш великі одиниці, які утворюють складні напіврегулярні структури. З експериментами на синхротроні BESSY II в Гельмгольці-Центрумі в Берліні це можна було спостерігати детально.
Лише кілька основних геометричних форм можуть закрити поверхню без перекриттів або зазорів, використовуючи плитки з однорідної форми: це трикутники, прямокутники і шестикутники. Значно складніші регулярні шаблони можливі з двома або більше формами плитки. Це так звані архімедові тесселяції або тілінги.
Ці структури часто пов'язані з дуже особливими властивостями матеріалів, наприклад незвичайною електропровідністю, спеціальною світловідбиваючою здатністю або високою механічною міцністю. Але виробляти такі матеріали складно. Це вимагає великих молекулярних будівельних блоків, які не сумісні з традиційними виробничими процесами.
Комплексні тесселяції за допомогою самоорганізації
Міжнародна команда під керівництвом професорів Флоріана Клаппенбергера і Йоханнеса Барта на кафедрі експериментальної фізики TUM, а також професор Маріо Рубен з Технологічного інституту Карлсруе в даний час здійснили прорив у класі супрамолекулярних мереж: вони отримали можливість об'єднати органічні молекули в більш великі «будівельні блоки» зі складною структурою, сформованою через самоорганізацію.
Як вихідне з'єднання вони використовували етиніл-йод-фенантрен, легку для обробки органічну молекулу, що містить три пов'язані вуглецеві кільця з іодом і алкіном. На срібному субстраті ця молекула утворює звичайну мережу з великими гексагональними сітками.
Потім термічна обробка запускає ряд хімічних процесів, створюючи новий значно більший будівельний блок, який потім формує складний шар з невеликими гексагональними, прямокутними і трикутними порами майже автоматично. Мовою геометрії цей шаблон згадується як напіврегулярна мозаїка 3.4.6.4.
"Вимірювання тунельної мікроскопії, проведені нами в TUM, ясно показують, що молекулярна реорганізація включає в себе безліч реакцій, які зазвичай призводять до численних побічних продуктів. Однак у цьому випадку побічні продукти переробляються, а це означає, що загальний процес протікає з великою економією - майже стовідсоткове відновлення - для досягнення бажаного кінцевого продукту ", - пояснює професор Клаппенбергер.
Дослідники з'ясували, як це відбувається в подальших експериментах. «Використовуючи вимірювання рентгенівської спектроскопії на електронному накопичувачі BESSY II, ми змогли розшифрувати, як йод розщеплюється, як атоми водню переходять у нові положення, а алкінові групи захоплюють атоми срібла», пояснює провідний автор Yi-Qi Zhang.
«Ми виявили абсолютно новий підхід до виробництва складних матеріалів з простих органічних будівельних блоків», - резюмує Клаппенбергер. «Це важливо для здатності синтезувати матеріали з конкретними новими та екстремальними характеристиками, що також сприяє кращому розумінню спонтанного виникнення (появи) складності в хімічних і біологічних системах».