Химики вырастили рекордно большой молекулярный треугольник-фрактал

Химики из Китая, Польши и Франции вырастили рекордно большой супрамолекулярный комплекс, повторяющий очертаниями фрактальный треугольник Серпинского. Он включает в себя почти 500 атомов железа и около 750 молекул-связок. Часть структуры соответствует фрактальному треугольнику пятого порядка  — ранее химикам удавалось синтезировать лишь треугольники четвертого порядка. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Треугольник Серпинского — известный пример фрактала, объекта, который выглядит одинаковым на любом масштабе изображения. Построить его можно следующим образом: из равностороннего треугольника вырезается треугольник, вершины которого лежат на серединах сторон исходного, затем та же операция производится с получившимися тремя равносторонними треугольниками и так до бесконечности.

Фракталы не являются периодичными объектами, поэтому их сборка оказывается довольно сложной задачей. В случае с созданием молекулярных комплексов для этого требуется точный подбор условий и геометрии молекул, которые будут формировать конечную структуру. К примеру, в одной из первых работ, посвященных молекулярным треугольникам Серпинского, в основе структуры лежали жесткие изогнутые молекулы терфенилов и кватерфенилов, задающие нужные углы и геометрию фрактала. Органические молекулы образовывали фракталы благодаря самосборке — вещество переносили на поверхность монокристаллической подложки сублимацией и отжигали.

Самые сложные структуры, полученные таким образом, представляли собой треугольники четвертого порядка (описанная выше операция вырезания треугольников повторена четыре раза). Главная проблема, из-за которой сборка треугольников высших порядков оказывается затруднена — хаотичность образования новых центров роста треугольников. Кроме того, с усложнением структуры уменьшается вероятность того, что фрактал продолжит расти. Дело в том, что вне зависимости от порядка сложности, количество центров роста в отдельно взятом треугольнике остается одинаковым.

Авторы новой работы использовали модифицированный подход к синтезу фракталов. Во-первых, сами фракталы превратили в металлорганический комплекс, в котором лиганды были связаны с атомами железа. Во-вторых, химики использовали не один, а два органических лиганда с немного отличающейся геометрией. Только когда соотношение их количества составляло примерно 1:3 происходило эффективное образование больших треугольников Серпинского.

Чтобы оценить размер получающихся треугольников ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп. На золотых монокристаллических подложках химики обнаружили неполный треугольник шестого порядка, состоявший из двух полных треугольников пятого порядка и начавшего свой рост треугольника второго порядка. Это крупнейшая молекулярная фрактальная структура, из полученных на сегодняшний день. Ее диаметр достигает 50 нанометров.

Интерес к фрактальным супрамолекулярным комплексам связан с тем, что в них могут наблюдаться необычные механические и магнитные свойства. Например, в 2014 году международная группа физиков показала, что материалы, построенные по принципу треугольника Серпинского прочнее и легче, чем периодические структуры наподобие пчелиных сот.

Самосборка позволяет создавать не только плоские, но и сложные трехмерные структуры. Так, группе японских химиков удалось запустить самосборку многогранника, содержащего 48 вершин — на его построение ушло 144 молекулы. С помощью другой известной техники — ДНК-оригами — ученые создают не менее сложные конструкции: контейнеры, репродукции картин и курносые кубы.

Владимир Королёв