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Blocs de construction microscopiques : de nouvelles structures supramoléculaires à double fonction dévoilées

SciTechDaily

L'illustration montre que les molécules d'alcool et d'eau sont adsorbées uniquement dans l'un des deux types de pores. Crédit : Université nationale de Yokohama

Une étude récente de l'Université nationale de Yokohama a introduit une méthodologie révolutionnaire dans le domaine des sciences des matériaux, permettant l'auto-assemblage de cristaux moléculaires à double pores à l'aide de techniques de tri avancées. Cette innovation ouvre la voie au développement de matériaux multifonctionnels aux applications diverses.

Les structures moléculaires polyvalentes, appelées structures supramoléculaires discrètes, fonctionnent comme des blocs de construction microscopiques personnalisables pour de nombreuses applications. Ces structures peuvent être utilisées pour l'administration de médicaments, créer des environnements uniques pour des réactions catalytiques ou être intégrées dans des machines moléculaires.

Dans leur article publié dans le Journal de la Société américaine de chimiedes chercheurs de l'Université nationale de Yokohama ont présenté une nouvelle méthodologie pour faire progresser l'auto-assemblage de matériaux supramoléculaires à double fonction.

L'auto-assemblage implique la génération spontanée d'une architecture supramoléculaire discrète et bien définie à partir d'un ensemble donné de composants sous équilibre thermodynamique. En général, une combinaison binaire de précurseurs, chacun portant des groupes fonctionnels complémentaires, est assemblée en un produit stable. Les systèmes multicomposants, qui comprennent au moins deux précurseurs ayant des groupes fonctionnels identiques, restent relativement inexplorés.

Exploration de l'auto-tri social

Les scientifiques étudient des méthodes permettant de rassembler différents précurseurs possédant les mêmes groupes fonctionnels dans une structure supramoléculaire unifiée par le biais de l’« auto-tri social ». Dans ce type d’auto-tri social, les transitions entre des systèmes complexes auto-triés imitent la fonction régulatrice que l’on trouve dans la nature, qui sont capables d’un comportement de reconnaissance sélectif mais adaptatif.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont développé des approches stratégiques pour empêcher l’incorporation aléatoire et le « tri narcissique », où chaque type de précurseur s’assemble en structures indépendantes.

Une approche consiste à utiliser une technique appelée auto-tri chiral, qui repose sur la complémentarité de la chiralité (droitier ou gaucher). Lorsqu'un précurseur racémique (mélange de deux molécules chirales appelées énantiomères) est utilisé, les deux énantiomères sont fréquemment incorporés dans une seule structure.

Les molécules droitières et gauchères ont tendance à s'aligner alternativement lorsqu'elles cristallisent, et il est possible d'organiser des « quasi-racémates » qui présentent de légères différences structurelles entre les formes droitières et gauchères.

Réalisations dans le développement de matériaux fonctionnels

« Les recherches précédentes se sont principalement concentrées sur l’alignement de ces molécules, et l’application de ce phénomène au développement de matériaux fonctionnels a été un défi », a déclaré l’auteur correspondant Suguru Ito, professeur associé d’ingénierie à l’Université nationale de Yokohama.

Dans leur étude, l'équipe d'Ito a étudié l'agencement de « quasi-racémates » présentant de légères différences structurelles entre les formes droitières et gauches pour créer des matériaux cristallins avec des pores de tailles variables. L'auto-tri social de deux paires de quasi-racémates a été obtenu en formant une molécule en forme d'anneau avec quatre molécules de connexion. Cet anneau stable est obtenu par une réaction réversible entre les groupes aldéhydes des quasi-racémates et les groupes amines des molécules de connexion. En conséquence, les molécules en forme d'anneau peuvent se cristalliser en cristaux moléculaires poreux présentant deux types de pores en forme de tube.

« Cela représente une étape importante dans l’application des techniques d’agencement de molécules droitières et gauchères à la création de matériaux fonctionnels », a déclaré Ito.

La conception de matériaux poreux avec des systèmes à double pores représente une tâche complexe, mais ces matériaux sont très précieux en raison de leurs fonctionnalités avancées. Étant donné que chaque pore peut être fonctionnalisé de manière distincte, les matériaux à double pores permettent de réaliser simultanément plusieurs fonctions ou des conceptions spécifiques pour des applications complexes.

Des preuves expérimentales ont confirmé que ces pores doubles présentent des propriétés d’adsorption différentes.

Cette étude met en évidence l'utilité des quasi-racémates dans la construction de structures supramoléculaires socialement auto-triées avec deux fonctionnalités distinctes. De plus, la méthodologie ouvre la voie à la génération d'une nouvelle classe de cristaux moléculaires à double pores.

« À notre connaissance, il s’agit du premier cristal moléculaire à double pore formé par des macrocycles socialement auto-triés », a déclaré Ito.

Les recherches futures viseront à développer divers matériaux cristallins multifonctionnels en appliquant la technique d’agencement de quasi-racémates.

« Mon objectif ultime est d’établir une méthode permettant d’agencer avec précision les molécules organiques et de développer des matériaux cristallins fonctionnels qui soient bénéfiques pour la société », a déclaré Ito.

La recherche a été soutenue par l’Agence japonaise pour la science et la technologie.

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