Einem internationalen Forscherteam ist es erstmals gelungen, die Chiralität einzelner Moleküle durch Strukturisomerisierung zu kontrollieren. Dem Team unter der Leitung von NIMS, der Osaka University Graduate School of Science und dem Kanazawa University Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) gelang es außerdem, hochreaktive Diradikale mit zwei ungepaarten Elektronen zu synthetisieren. Sie lösten diese Aufgaben mithilfe einer Rastertunnelmikroskop-Sonde bei niedrigen Temperaturen.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
In der organischen Chemie ist es normalerweise eine große Herausforderung, die Chiralität einzelner Moleküleinheiten zu kontrollieren und äußerst reaktive Diradikale zu synthetisieren. Dies hat eine detaillierte Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Diradikalen verhindert. Diese Probleme inspirierten die Entwicklung chemischer Reaktionstechniken zur Steuerung der Strukturen einzelner Moleküle auf der Oberfläche.
Das Forscherteam hat kürzlich eine Technik entwickelt, die es ihnen ermöglicht, die Chiralität bestimmter einzelner Moleküleinheiten in einer dreidimensionalen Nanostruktur kontrolliert zu verändern. Dies erreichten sie, indem sie eine molekulare Zieleinheit mit Tunnelstrom aus einer Rastertunnelmikroskopsonde bei niedriger Temperatur unter Ultrahochvakuumbedingungen anregten.
Durch die präzise Steuerung der Strominjektionsparameter (z. B. der molekularen Stelle, an der der Tunnelstrom bei einer bestimmten angelegten Spannung injiziert wird) konnte das Team molekulare Einheiten in drei verschiedene Konfigurationen umordnen: zwei verschiedene Stereoisomere und ein Diradikal. Schließlich demonstrierte das Team die Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Strukturisomerisierung durch die Codierung von ASCII-Zeichen (Lesung „NanoProbe Grp. NIMS“) unter Verwendung binärer und ternärer Werte in einer Reihe eindimensionaler molekularer Arrays, wobei jedes Array ein einzelnes Zeichen darstellt.
In der zukünftigen Forschung plant das Team die Herstellung neuartiger Kohlenstoffnanostrukturen, die aus Designer-Moleküleinheiten bestehen, deren Konfigurationen über die in diesem Projekt entwickelte Strukturisomerisierungstechnik gesteuert werden. Darüber hinaus wird das Team die Möglichkeit untersuchen, Quantenmaterialien zu schaffen, in denen radikale molekulare Einheiten wie vorgesehen magnetische Austauschkopplungen zwischen den Einheiten auslösen – ein quantenmechanischer Effekt.
Dieses Projekt wurde von einem Forschungsteam bestehend aus Shigeki Kawai (Leiter, Nanoprobe Group (NG), Center for Basic Research on Materials (CBRM), NIMS), Zhangyu Yuan (Junior Researcher, NG, CBRM, NIMS) und Kewei Sun durchgeführt (ICYS Research Fellow, NG, CBRM, NIMS), Oscar Custance (Managing Researcher, NG, CBRM, NIMS), Takashi Kubo (Professor, Department of Chemistry, Graduate School of Science, Osaka University) und Adam S. Foster (Professor, Nano Life Science Institute, Kanazawa University; außerdem Professor, Aalto University).
Mehr Informationen:
Shigeki Kawai et al., Lokale Sonden-induzierte Strukturisomerisierung in einem eindimensionalen Molekülarray, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43659-4