Investigadores de la Universidad de Bonn han desarrollado una estructura molecular que puede cubrir superficies de grafito con un mar de pequeños "astas de bandera". Las propiedades de este recubrimiento son muy variables. Puede proporcionar una base para el desarrollo de nuevos catalizadores. Los compuestos también podrían ser adecuados para medir las propiedades nanomecánicas de las proteínas. Los resultados se publicaron en línea con anticipación en la revista Angewandte Chemie . Ahora se ha publicado la edición impresa, que muestra una parte del mar de banderas como imagen de portada.

El componente básico de la cubierta superficial es un gran anillo molecular. Está estabilizado en el interior por radios y, por lo tanto, tiene cierto parecido con una estrella de Mercedes. Además, el anillo tiene tres pequeños brazos que apuntan hacia afuera. Cada uno de ellos puede agarrar el brazo de otro anillo. Esto permite que las moléculas se unan para formar un enorme tejido similar a una lámina sin ninguna intervención externa. Para ello basta con sumergir un trozo de grafito (que es el material del que están hechas, por ejemplo, las minas de lápiz) en una solución de estos anillos. Como por arte de magia, estos cubren la superficie de grafito con una estructura similar a una red en poco tiempo.

El tamaño de malla de la red se puede ajustar con precisión cambiando la longitud de los brazos. Sin embargo, lo más destacado del recubrimiento radica en otra opción de modificación:"Podemos colocar pequeños postes de diferentes longitudes en el centro de los anillos", explica el Prof. Dr. Sigurd Höger del Instituto Kekulé de Química Orgánica y Bioquímica en el Universidad de Bonn. Dirigió el estudio junto con el Dr. Stefan-Sven Jester (también del Instituto Kekulé) y el Prof. Dr. Stefan Grimme del Centro Mulliken de Química Teórica. "Entonces, a su vez, podemos unirles otras moléculas, como banderas a un asta de bandera".

Un mar de banderas en miniatura

Las distancias entre los polos son tan grandes que incluso moléculas muy voluminosas se pueden unir a sus puntas sin estorbar entre sí. Luego, por un lado, los postes los mantienen en su lugar, pero al mismo tiempo son libres de moverse como una bandera en el viento. Además, son fácilmente accesibles a las sustancias en la solución y pueden reaccionar con ellas. "Esto puede permitir que se realicen nuevos catalizadores", especula Höger. "Potencialmente, esto permitirá reacciones químicas que antes eran inviables o solo posibles con un gran esfuerzo".

En principio, cualquier molécula puede unirse a las puntas de los mástiles. En el futuro, esto también debería permitir, por ejemplo, medir las propiedades nanomecánicas de las proteínas. Para hacer esto, la molécula de proteína sería sostenida por el asta de la bandera y luego separada con una especie de "brazo de agarre". "Las proteínas consisten en largos filamentos, pero la mayoría de ellos están plegados en esferas compactas, lo que les da su forma característica", dice Höger. "Las fuerzas que intervienen en la formación de este último podrían determinarse con mayor precisión mediante tales experimentos".

En el laboratorio del Dr. Jester, las moléculas producidas por Höger y sus colaboradores se depositaron en grafito y se examinaron con un microscopio de efecto túnel. Además, los patrones de superficie de las moléculas bandera también se simularon en la computadora. "Esto nos permitió demostrar que las moléculas realmente se ordenan y se comportan exactamente como lo predijeron nuestros conceptos y la teoría", explica Jester, quien, al igual que Höger y Grimme, es miembro del Área de Investigación Transdisciplinaria "Bloques de Construcción de la Materia y Fundamental". Interactions" (TRA Matter) en la Universidad de Bonn.

Simular la dinámica de moléculas tan grandes y complejas requiere enormes recursos computacionales. En los últimos años, el grupo de investigación del Prof. Grimme ha desarrollado métodos sofisticados que, sin embargo, lo hacen posible. "Podemos usar estos métodos, por ejemplo, para distinguir entre moléculas unidas de manera flexible y rígida en la simulación y para predecir su comportamiento", explica Grimme.

Entre otras moléculas, el equipo de Bonn adjuntó una estructura similar a una pelota de fútbol a los mástiles de las banderas, el llamado fullereno. Allí pudo colgar libremente alrededor de la parte superior de cada mástil sostenido por una especie de nano-cordón. "De hecho, podemos ver este movimiento de los fullerenos, predicho por simulaciones por computadora, en nuestras imágenes de microscopio de efecto túnel", dice Jester. Esto se debe a que las imágenes de los balones de fútbol moleculares no son nítidas, sino borrosas:muy parecido a fotografiar una pelota real en una cuerda que se mueve de un lado a otro con el viento y con poca luz. Las moléculas de referencia unidas rígidamente, por otro lado, son claramente visibles en las imágenes del microscopio de efecto túnel. + Explora más

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