Imagínese intentar construir un edificio tipo Coliseo, incluidos arcos, bóvedas y varios salientes, respetando dos reglas estrictas:solo se puede usar un tipo de ladrillo, y estos ladrillos deben colocarse con precisión, uno contra otro, en un arreglo simétrico. No se permite ni un poco de discrepancia. A lo mejor, podría erigir una torre de gran altura con cámaras. La naturaleza tiene leyes similares para la construcción de monocristales.

Las reglas para la formación de solteros, Los cristales moleculares son tan estrictos, deben tener bordes afilados, continuo, estructuras de un solo compartimento, que es inconcebible imaginar que estos principios se rompan. Hasta ahora, es decir. Los investigadores del Weizmann Institute of Science han logrado crear estructuras que son una completa paradoja:solo, cristales continuos que tienen múltiples dominios, una forma asimétrica y líneas curvas; son tan complejos como cabría esperar de una estructura "monumental". Esta clase única de materiales orgánicos se informó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .Debido a que la estructura cristalina juega un papel fundamental en la determinación de las propiedades de un material, Los científicos de Weizmann planean investigar más a fondo estas nuevas estructuras y aplicar su enfoque de ensamblaje especial a diferentes tipos de "ladrillos moleculares" que pueden ayudar a crear materiales cristalinos altamente versátiles.

Hagamos el giro

Hay muchos problemas abiertos en la ingeniería de cristales, aunque algunos se remontan a la obra de Louis Pasteur en el siglo XIX, por ejemplo, cómo controlar el crecimiento de los cristales para que tengan un tamaño y una forma uniformes, o cómo controlar la quiralidad. Las moléculas quirales son idénticas en su composición pero vienen en dos formas de imagen especular que, como manos, aparecen en versiones "izquierda" o "derecha" que no se pueden superponer. Las formaciones de cristales quirales pueden ser helicoidales, girando en espiral en sentido horario o antihorario, dependiendo de la "mano derecha" de las moléculas.

Científicos del Instituto Weizmann, encabezada por la estudiante postdoctoral italiana Dra. Maria Chiara di Gregorio, El Dr. Michal Lahav, científico superior del personal, y el profesor Milko van der Boom, todo el Departamento de Química Orgánica, han tocado estas cuestiones. A través de los años, han perfeccionado su método de creación de monocristales de apariencia muy compleja, y ahora han añadido un giro, literalmente. Las estructuras de cristal que crearon tienen la forma de un yo-yo, con las dos mitades girando en espiral en direcciones opuestas; encima de esta estructura, la apariencia de los dos discos en sí es como una flor, con numerosos "pétalos" quirales que crecen alrededor de un "estigma" en el centro. "Esto es sorprendente, dado que los 'bloques de construcción' son todos simétricos, moléculas no quirales, "dice Di Gregorio." La apariencia de pétalos sugiere que estas 'deberían ser' estructuras policristalinas, es decir, que posee múltiples 'cámaras', en lugar de cristales individuales ".

Para entender como este pétalo La estructura quiral surgió a partir de moléculas no quirales, los científicos utilizaron varias técnicas para examinar los cristales en tres niveles diferentes:el nivel morfológico (forma 3-D), el nivel molecular, y luego a un nivel intermedio:la distribución de densidad de electrones.

Usando microscopía electrónica de barrido, fueron capaces de construir cuatro etapas de crecimiento de cristales que podrían definirse a nivel morfológico. "Hornear" moléculas orgánicas junto con átomos de metal en solución a la temperatura adecuada produce deformaciones, Estructuras cilíndricas no quirales. Estos son los "botones florales" que, en las siguientes etapas, transformar en objetos quirales. Primero se desarrollan en dos estructuras hexagonales retorcidas, y los pétalos comienzan a crecer y se disponen asimétricamente en la superficie superior de los dos hexágonos en forma de hélice, tomando en sentido horario o antihorario. En la etapa final, los cristales se desarrollan en la estructura de yo-yo bien definida, con sus múltiples dominios dándole una apariencia similar a una flor.

Investigando la estructura más a fondo mediante micro tomografía computarizada (micro-CT), un método poco convencional en el análisis tridimensional de cristales organometálicos, los científicos revelaron detalles ocultos del nivel de distribución de densidad de electrones "intermedio". En efecto, las medidas revelan un motivo en espiral único continuo que abarca toda la estructura de base a base, sugiriendo que a pesar de la forma compleja, es un solo cristal quiral.

A nivel molecular, Rayos X aplicados por la doctora Linda Shimon del Departamento de Apoyo a la Investigación Química, mostró la estructura cristalina claramente y proporcionó evidencia concluyente de la composición monocristalina de los yoyos complejos. Los patrones de rayos X también revelaron "escaleras de caracol":porosas, canales quirales que se extienden por toda la estructura de arriba a abajo.

Estos cristales retorcidos eran tan contrarios a la naturaleza que los investigadores hicieron confirmar la estructura de forma independiente por un cristalógrafo en Nueva York.

Poner los cristales recién descubiertos en uso

"Estos resultados son emocionantes en un nivel fundamental, ya que hemos logrado crear una clase de material completamente única, "dice van der Boom. Los hallazgos podrían encontrar aplicaciones, él añade, en el diseño de nuevos materiales porosos, por ejemplo para el almacenamiento de combustibles respetuosos con el medio ambiente como el hidrógeno, o para capturar dióxido de carbono de la atmósfera. Y también podrían usarse para mejorar la catálisis en varios procesos químicos.