Химики из Австралии, Великобритании, Германии и Италии синтезировали металл-органический каркас на основе цинка и 1,3-бензолдикарбоновой кислоты. Рентгеноструктурный анализ каркаса показал, что он имеет апериодическую кристаллическую структуру, напоминающую трехмерную мозаику Труше.

Исследование опубликовано в Science.

Вещества с апериодической кристаллической структурой — квазикристаллы — открыл Дан Шехтман в 1982 году, и в 2011 году получил за это открытие Нобелевскую премию по химии. Он выяснил, что существуют кристаллические вещества, структура которых упорядочена, но не периодична, и напоминает трехмерные апериодические мозаики.

Например, для математического описания открытых им квазикристаллов Шехтман использовал мозаику Пенроуза. В ней и в других мозаиках подобного типа любой сколь угодно большой фрагмент (набор плиток) встречается бесконечное число раз, но сама мозаика не обладает трансляционной симметрией — то есть, ее нельзя представить в виде одной размноженной по плоскости плитки или их набора.

Мозаика Пенроуза / Wikimedia Commons

Еще один пример апериодической мозаики — это мозаика Труше. Ее можно представить, как плоскость, заполненную плитками одного цвета, на каждой из которых есть дуга другого цвета длиной в одну четверть окружности. При этом дуга может быть расположена в одном из четырех углов плитки. При замощении такими плитками получается мозаика, в которой равномерно распределены все четыре типа плиток, но трансляционной симметрии нет из-за разного расположения дуг.

С помощью такой мозаики легко составить огромное число разных замощений ограниченного пространства, и это свойство можно использовать для хранения информации. В частности, QR- и штрих-коды по сути представляют собой мозаику Труше, которую формируют плитки в виде квадратов или полосок двух разных цветов.

Сходство между штрих-кодом, QR-кодом и мозаикой Труше / Andrew L. Goodwin et al. / Science, 2023

Химики под руководством Эндрю Гудвина (Andrew L. Goodwin) из Оксфордского университета синтезировали металл-органический каркас, структура которого напоминает трехмерную мозаику Труше. Ученым было известно, что при нагревании нитрата цинка Zn(NO₃)₂ с 1,4-бензолдикарбоновой кислотой образуется давно известный в литературе кристаллический металл-органический каркас MOF-5. И они решили заменить 1,4-бензолдикарбоновую кислоту на 1,3-бензолдикарбоновую кислоту и выяснить структуру образованного на ее основе каркаса.

Схема апериодического расположения анионов 1,3-бензолдикарбоновой кислоты между цинковыми кластерами в структуре полученного каркаса / Omar M. Yaghi & Zichao Rong / Science, 2023