Grafeenadditieven tonen een nieuwe manier om de structuur van organische kristallen te beheersen

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Manchester heeft aangetoond dat de oppervlakte-eigenschappen van grafeen kunnen worden gebruikt om de structuur van organische kristallen die uit oplossing worden verkregen, te regelen.

Organische kristalstructuren zijn terug te vinden in een groot aantal producten, zoals voedsel, explosieven, kleurpigmenten en farmaceutica. Organische kristallen kunnen echter in verschillende structuren voorkomen, polymorfen genaamd: elk van deze vormen heeft zeer verschillende fysische en chemische eigenschappen, ondanks dezelfde chemische samenstelling.

Om een ​​vergelijking te maken, diamant en grafiet zijn polymorfen omdat ze beide zijn samengesteld uit koolstofatomen, maar ze hebben heel verschillende eigenschappen omdat de atomen zijn gebonden om verschillende structuren te vormen. Hetzelfde concept kan worden uitgebreid tot organische moleculen, wanneer ze met elkaar in wisselwerking staan ​​om kristallen te vormen.

Het begrijpen van en reageren op hoe materialen op moleculair niveau werken, is de sleutel, omdat de verkeerde polymorf ervoor kan zorgen dat een voedingsmiddel een slechte smaak heeft of een medicijn minder effectief is. Er zijn verschillende voorbeelden van medicijnen die van de markt zijn gehaald vanwege polymorfisme-gerelateerde problemen. Als zodanig is de productie van een specifieke polymorf momenteel een fundamenteel probleem voor zowel onderzoek als industrie en brengt het aanzienlijke wetenschappelijke en economische uitdagingen met zich mee.

Nieuw onderzoek van de Universiteit van Manchester heeft nu aangetoond dat het toevoegen van grafeen aan een verdampende oplossing met organische moleculen de selectiviteit naar een bepaalde kristallijne vorm aanzienlijk kan verbeteren. Dit opent nieuwe toepassingen van grafeen op het gebied van kristaltechniek, die tot nu toe volledig onontgonnen zijn.

Professor Cinzia Casiraghi, die het team leidde, zei: “Uiteindelijk hebben we aangetoond dat geavanceerde materialen, zoals grafeen en de tools van nanotechnologie, ons in staat stellen om kristallisatie van organische moleculen uit een oplossing op een radicaal nieuwe manier te bestuderen. We zijn nu enthousiast. om te evolueren naar moleculen die vaak worden gebruikt voor farmaceutica en voedsel om het potentieel van grafeen op het gebied van crystal engineering verder te onderzoeken. “

In het rapport, gepubliceerd in ACS Nanoheeft het team aangetoond dat door het afstemmen van de oppervlakte-eigenschappen van grafeen, het mogelijk is om het type geproduceerde polymorfen te veranderen. Glycine, het eenvoudigste aminozuur, is gebruikt als referentiemolecuul, terwijl verschillende soorten grafeen zijn gebruikt als additief of als sjablonen.

Matthew Boyes en Adriana Alieva, Ph.D. studenten van de Universiteit van Manchester droegen beiden bij aan dit werk: “Dit is een baanbrekend werk over het gebruik van grafeen als additief in kristallisatie-experimenten. We hebben verschillende soorten grafeen met variërend zuurstofgehalte gebruikt en hebben gekeken naar hun effecten op het kristal resultaat van glycine. We hebben gezien dat door het zuurstofgehalte van grafeen zorgvuldig af te stemmen, het mogelijk is om preferentiële kristallisatie te induceren. ” zei Adriana.

Computermodellering, uitgevoerd door professor Melle Franco aan de Universiteit van Aveiro, Portugal, ondersteunt de experimentele resultaten en schrijft de polymorfe selectiviteit toe aan de aanwezigheid van hydroxylgroepen, waardoor waterstofbindende interacties met de glycinemoleculen mogelijk zijn, waardoor de ene polymorfe boven de andere wordt bevoordeeld. extra lagen van de polymorf worden toegevoegd tijdens kristalgroei.