Chemici ontwerpen ‘moleculaire zee van vlaggen’ als basis voor nieuwe katalysatoren

Model van een moleculair Mercedes stervormig molecuul. Aan de vlaggenmast bovenop is een fullereen bevestigd, waarvan de beweging ook hier met een smudge-effect wordt gevisualiseerd. Het model staat ook op de omslag van het huidige nummer van Angewandte Chemie. Krediet: Joshua Bahr/Uni Bonn

Onderzoekers van de Universiteit van Bonn hebben een moleculaire structuur ontwikkeld die grafietoppervlakken kan bedekken met een zee van kleine vlaggenmasten. De eigenschappen van deze coating zijn zeer variabel. Het kan een basis vormen voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren. De verbindingen zouden ook geschikt kunnen zijn voor het meten van de nanomechanische eigenschappen van eiwitten. De resultaten zijn vooraf online gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie. Nu is de gedrukte editie verschenen, die een deel van de vlaggenzee als omslagafbeelding toont.

De basisbouwsteen van de oppervlaktebekleding is een grote moleculaire ring. Het wordt aan de binnenkant gestabiliseerd door spaken en vertoont daardoor een zekere gelijkenis met een Mercedes-ster. Daarnaast heeft de ring drie armpjes die naar buiten wijzen. Elk van hen kan de arm van een andere ring grijpen. Hierdoor kunnen de moleculen samenkomen om een ​​enorm velachtig weefsel te vormen zonder tussenkomst van buitenaf. Hiervoor is het voldoende om een ​​stuk grafiet (het materiaal waar bijvoorbeeld potloodstiften van gemaakt zijn) in een oplossing van deze ringen te dopen. Als bij toverslag bedekken deze dan in korte tijd het grafietoppervlak met een netachtige structuur.

De maaswijdte van het net kan nauwkeurig worden aangepast door de lengte van de armen te veranderen. Het echte hoogtepunt van de coating ligt echter in een andere wijzigingsmogelijkheid: “We kunnen kleine paaltjes van verschillende lengtes aan het midden van de ringen bevestigen”, legt Prof. Dr. Sigurd Höger van het Kekulé Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Universiteit van Bonn. Hij leidde de studie samen met Dr. Stefan-Sven Jester (ook Kekulé Institute) en Prof. Dr. Stefan Grimme van het Mulliken Centre for Theoretical Chemistry. “We kunnen er dan weer andere moleculen aan vastmaken, zoals vlaggen aan een vlaggenmast.”

Een miniatuurzee van vlaggen

De afstanden tussen de polen zijn zo groot dat zelfs zeer omvangrijke moleculen aan hun uiteinden kunnen worden bevestigd zonder in elkaar te gaan’s manier. Ze worden dan enerzijds op hun plaats gehouden door de palen, maar kunnen tegelijkertijd vrij bewegen als een vlag in de wind. Bovendien zijn ze gemakkelijk toegankelijk voor stoffen in de oplossing en kunnen ze ermee reageren. “Hierdoor kunnen mogelijk nieuwe katalysatoren worden gerealiseerd”, speculeert Höger. “Mogelijk maakt dit chemische reacties mogelijk die voorheen niet of alleen met veel moeite mogelijk waren.”

Aan de uiteinden van de vlaggenmasten kunnen in principe alle moleculen worden bevestigd. Hiermee moet in de toekomst bijvoorbeeld ook de nanomechanische eigenschappen van eiwitten kunnen worden gemeten. Om dit te doen, zou het eiwitmolecuul worden vastgehouden door de vlaggenmast en vervolgens uit elkaar worden getrokken met een soort ‘grijparm’. “Eiwitten bestaan ​​uit lange filamenten, maar de meeste zijn opgevouwen tot een compacte bol, waardoor ze hun karakteristieke vorm krijgen”, zegt Höger. “De krachten die aan het werk zijn bij de vorming van de laatste kunnen door dergelijke experimenten nauwkeuriger worden bepaald.”

In Dr. Jester’In het laboratorium van Höger werden de door Höger en zijn medewerkers geproduceerde moleculen afgezet op grafiet en onderzocht met een scanning tunneling microscoop. Daarnaast werden ook de oppervlaktepatronen van de vlagmoleculen op de computer gesimuleerd. “Hierdoor konden we laten zien dat de moleculen zichzelf rangschikken en zich precies gedragen zoals voorspeld door onze concepten en de theorie”, legt Jester uit, die net als Höger en Grimme lid is van de Transdisciplinair Onderzoeksgebied “Building Blocks of Matter and Fundamental Interacties” (TRA Matter) aan de Universiteit van Bonn.

Het simuleren van de dynamiek van zulke grote en complexe moleculen vereist enorme rekenkracht. In de afgelopen jaren heeft Prof. Grimme’s onderzoeksgroep heeft uitgekiende methoden ontwikkeld die dit toch mogelijk maken. “We kunnen deze methoden bijvoorbeeld gebruiken om onderscheid te maken tussen flexibele en star gebonden moleculen in de simulatie en om hun gedrag te voorspellen”, legt Grimme uit.

Het team van Bonn bevestigde onder meer een voetbalachtige structuur aan de vlaggenmasten, een zogenaamd fullereen. Daar kon het vrij rond de top van elke mast bungelen, vastgehouden door een soort nanokoord. “We kunnen deze beweging van de fullerenen, voorspeld door computersimulaties, zien in onze scanning tunneling microscoopbeelden”, zegt Jester. Dit komt omdat de beelden van de moleculaire voetballen niet scherp zijn, maar wazig: net zoals het fotograferen van een echte bal aan een touwtje die bij weinig licht heen en weer beweegt in de wind. Stijf bevestigde referentiemoleculen zijn daarentegen duidelijk zichtbaar in de scanning tunneling microscoopbeelden.