Блог

Aug 09, 2023

Исследователи производят полимеры из шарикового бота

Химический синтез на поверхности в чрезвычайно чистых условиях позволяет осуществлять контролируемый синтез N-гетероциклических полимеров шарикового типа. Изображение Университета Мюнстера: вид сбоку на структуру – оптимизированная

Химический синтез на поверхности в чрезвычайно чистых условиях позволяет контролируемый синтез N-гетероциклических полимеров шарового типа.

Университет Мюнстера

изображение: Вид сбоку на структуру – оптимизированную с использованием квантовомеханической теории функционала плотности – цепочки молекул типа шарбота.посмотреть больше

Фото: Мюнстерский университет – Doltsinis Group.

N-гетероциклические карбены (NHC) представляют собой небольшие реакционноспособные кольцевые молекулы, которые хорошо связываются с металлическими поверхностями и которые за последние несколько лет привлекли большой интерес в области стабильной химической модификации металлических поверхностей. Одним из свойств, обнаруженным в Мюнстерском университете в Германии несколько лет назад, является способность некоторых производных NHC не только прикрепляться к отдельным атомам металла, но и полностью извлекать отдельный атом с поверхности. Связавшись с этими так называемыми адатомами, НГК свободно скользят по поверхности – как шарик-бот, то есть робот, который движется по сфере. Используя такие «молекулы-шарики» и сотрудничая с китайскими исследователями, мюнстерским физикам и химикам впервые удалось заставить галогенированные NHC производить длинноцепочечные мобильные полимеры – то есть цепочки молекул – на металлических поверхностях. Подробности работы опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Мобильность NHC типа шарбота открывает новые возможности, например, самосборку в высокоупорядоченные домены из молекул этого типа, вплоть до кооперативного поведения роевого типа со стороны NHC при автономном преобразовании определенных металлических поверхностей в различные высокоупорядоченные структуры без какого-либо внешнего воздействия, такого как свет или электроны. «Помимо самоорганизации, эти шариковые полимеры открывают большие перспективы для новых применений в наноэлектронике, поверхностной функционализации и катализе», — говорит профессор Харальд Фукс, старший профессор Института физики Мюнстерского университета и научный директор Центра нанотехнологий ( CeNTech) в Мюнстере.

NHC можно легко модифицировать по группам азота (N) пятикратного гетероциклического тела молекул. В результате это позволяет не только влиять на электронное взаимодействие карбенов с атомами металлической поверхности (например, золота), но и управлять расположением карбенов вертикально или параллельно поверхности. Одной из особенностей используемых галогенированных NHC, которые были разработаны в Институте органической химии Мюнстерского университета, является их способность спонтанно образовывать адатомы благородных металлов и возникающая в результате подвижность. Это является предпосылкой их соединения и реакции с другими реактивными системами на поверхности.

«Решающим фактором успеха экспериментов стал баланс между химической реакционной способностью мономерных структурных единиц и их подвижностью», — говорит ведущий автор профессор Джиндонг Рен, бывший научный сотрудник в группе профессора Харальда Фукса, а теперь руководитель исследователь (PI) и руководитель группы Национального центра нанонауки и технологий (NCNST) Китая. С одной стороны, мономеры могут легко перемещаться по поверхности благодаря своим свойствам шарика; с другой стороны, время контакта, которое имеют стороны реакции, должно быть достаточно продолжительным, чтобы реакция произошла. Это происходит, прежде всего, за счет молекулярной структуры и подходящего температурного режима во время эксперимента.

Контроль химических реакций и предоставление доказательств желаемых продуктов реакций в области прецизионной химии поверхностей требуют узкоспециализированных препаративных и аналитических экспериментов, которые позволяют наблюдать молекулярные взаимодействия на поверхностях и отдельные стадии реакции на субмолекулярном уровне. С этой целью исследователи из CeNTech, NCNST и Пекинского национального центра физики конденсированных сред и Института физики использовали методы сканирующей зондовой микроскопии (СТМ и nc-AFM), а также фотоэмиссионную спектроскопию, чтобы выяснить происходящие химические связи и чтобы предоставить доказательства структуры шарового робота. Экспериментальные результаты были дополнены тщательно разработанным компьютерным моделированием в Институте теории твердого тела Мюнстерского университета, основанным на подходах квантовой механики и полях реактивных сил. Таким образом, они подтвердили экспериментальные результаты и количественно оценили электронные и структурные свойства полимеров шарикового бота.