Un grupo de investigación internacional dirigido por el profesor de la Universidad de Chiba, Shiki Yagai, ha desarrollado por primera vez policatenanos autoensamblados, estructuras compuestas por anillos de moléculas pequeñas entrelazados mecánicamente. El grupo de investigación también logró observar la estructura geométrica de los policatenanos mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). Este trabajo, publicado en la revista Naturaleza , es el primero en lograr la síntesis de nanopolicatenanos a través del autoensamblaje molecular sin utilizar plantillas moleculares adicionales. Yagai, profesor de química aplicada y biotecnología en la Universidad de Chiba, ve esto como el primer paso vital en la innovación tecnológica para crear estructuras topológicas de tamaño nanométrico.

La síntesis de catenanos se ha investigado ampliamente, especialmente desde que Jean-Pierre Sauvage ideó una estrategia basada en plantillas de metal para sintetizar un catenano. En reconocimiento a su trabajo pionero, Sauvage y otros dos investigadores recibieron el Premio Nobel de Química por el diseño y síntesis de máquinas moleculares en 2016. Dado que las moléculas de los catenanos están unidas en una cadena, los enlaces pueden moverse entre sí. Esto dificulta la síntesis y caracterización de la estructura, especialmente cuando los anillos no se mantienen unidos por fuertes enlaces covalentes.

Modificando el protocolo de autoensamblaje con una estrategia basada en plantillas, el grupo de investigación de Japón, Italia, Suiza y el Reino Unido pudieron crear policatenanos que incluían estructuras complejas formadas por cinco anillos entrelazados en una disposición lineal similar al símbolo de los Juegos Olímpicos, que eran lo suficientemente grandes para ser observados por microscopía de fuerza atómica. Mientras buscaba métodos para purificar los nanoanillos, el grupo de investigación descubrió que agregar los anillos a la solución de monómero caliente facilita la formación de nuevos ensamblajes en la superficie de los anillos, un proceso conocido como nucleación secundaria. Basado en este hallazgo, El grupo de investigación examinó las condiciones óptimas para la nucleación secundaria y creó con éxito poli [22] catenano compuesto por hasta 22 anillos conectados. Al observar este poli [22] catenano a través de microscopía de fuerza atómica, se confirmó que la estructura alcanzaba hasta 500 nm de longitud.

"El hallazgo innovador de esta investigación radica en la utilización de la característica de autoensamblaje de las moléculas, ", dice el profesor Yagai." Pudimos crear intrincadas estructuras geométricas en mesoescala sin utilizar métodos sintéticos complejos. Esto allana el camino para crear compuestos geométricos aún más complejos, como el rotaxano y los nudos de trébol en una escala similar. Como los ensamblajes moleculares utilizados en esta investigación están formados por moléculas que reaccionan a la luz y la electricidad, este hallazgo puede potencialmente aplicarse a la electrónica orgánica y la fotónica, y otras máquinas moleculares ".