DrehenMoleküle in Motoren

durch Professor Charlie Sykes

Professor Charlie Sykes, Sykes-Forschungsgruppe, Heftet sich Universität durch
Entsprechender Autor: charles.sykes@tufts.edu

Während die molekularen Maschinen, die durch Chemikalie, Leuchte oder Wärmen getrieben werden, während der Natur gefunden werden können, ist wenig Fortschritt in Richtung zum Erstellen von synthetischen Kollegen gemacht worden. Der Abstand zwischen Natur und Nanotechnologie bleibt zum begrenzten grundlegenden Verständnis der Übertragung von Energie auf mechanischen Antrag am nanoscale passend.

Die Rotation von einzelnen Molekülen auf Oberflächen Zu Verstehen und das Betätigen ist ein entscheidender Schritt hin zu der Entwicklung von nanoscale Einheiten wie flüssigen Pumpen, Fühlern, Verzögerungsstrecken und Mikrowellensignalisierenanwendungen. Vor Kurzem springen eine neue, stabile und robuste Anlage von den molekularen Läufern, die aus Thioäthermolekülen (RSR) bestehen zu den Metalloberflächen hat angeboten eine Methode, mit der die Rotation von einzelnen Molekülen als Funktion der Temperatur, der molekularen Chemie, der Näherung von benachbarten Molekülen und des elektrischen Stroms studieren.

Unsere Initialenstudien verwendeten das Dibutyl- Sulfid des einfachen, symmetrischen Thioäthers. Diese Moleküle adsorbieren zu den Metalloberflächen über das zentrale Schwefelatom und Rotation der Alkylhecks tritt um das zentrale S-Metallanleihe auf. Diese Moleküle sehen sechseckig aus, während sie wegen des Superposition von drei gleichwertigen Orientierungen in Bezug auf die sechseckig-bepackte Oberfläche unten rotieren.

Rotation dieser Moleküle bei 80 K tritt schneller als die Zeitschuppe der Scannentunnelbau-Mikroskopie (STM)darstellung (~2 Minute/Bild) auf, also war es nicht möglich, die gelegten Orientierungen bei dieser Temperatur zu entkoppeln. Nach die Anlage weiter abkühlen (bis 5 K) war es möglich, die einzelnen Dibutyl- Sulfidmoleküle in den statischen Stellungen zu beobachten, da ihre Rotation eingestellt wurde.

STM-Bild von drei molekularen Läufern, gerade 1 nm breit, spinnend zu in 1.000.000mal pro Sekunde, wenn Sie zu einer Temperatur von 78 Kelvin geheizt werden (- 320 F).

Niedrigtemperatur-STM erlaubte das Maß der Rotation der Dibutyl- Sulfidmoleküle als Funktion der Temperatur und der Quantifikation der Energiesperre und des vor-exponentialen Faktors für ihren Antrag. In diesen Maßen wird die Rückkopplungsschleife (die normalerweise verwendet wird, um die STM-Spitzenhöhe zu modulieren, um einen Konstantentunnelbaustrom beizubehalten), und der Tunnelbaustrom wird geüberwacht in Bezug auf Zeit abgestellt (I gegen t). Indem man die Rotationskinetik als die Temperatur misst, wird erhöht, es ist möglich, um Arrhenius-Pläne zu erstellen, die Rotationsenergetik der einzelnen Moleküle weiter zu verstehen.

Um die Interaktion zwischen den Alkylhecks des Läufers und der Oberfläche zu verstehen studierten wir die Rotation von Thioäthermolekülen als Funktion der Kettenlänge. Dimethyl, Diäthyl-, Dibutyl- und dihexyl Sulfide wurden studiert, und es wurde gefunden, dass alle Läufer ausgenommen Dimethyl Sulfid bei 7 K. statisch waren. Jedes der molekularen Spezies wurde dann geheizt, bis sie sichtbar innerhalb STM-Bilder rotierten.

Interessant wurde der thermische Anfang zur Rotation gefunden, um für studierte Thioäthermoleküle mit Alkylhecks von zwei Kohlenstoffen fast identisch zu sein oder mehr. Es wird vorgeschlagen, dass diese Hochebene im thermischen Anfang an einer Wechselwirkung zwischen Freiheitsgraden im Alkylheck gegen S-Metallbondlänge lag, die durch nachfolgende Berechnungen der molekularen Dynamik unterstützt wurde1,2.

Anders Als längere Alkyl-verkettete Thioäther wurden Dimethyl Sulfidmoleküle gesehen, um zu schnell zu rotieren, um bei 7 K. Experimental zu messen, das Studien eine sehr niedrige Sperre zur Rotation zeigten, als Dimethyl Sulfid Moleküle rotiertes >103 Hz bei 5 K., Um die Rotation dieses Moleküls, DFT-Studien weiter zu verstehen wurden verwendet, um die Rotationssperre zu berechnen. Auch unter Verwendung der theoretischen Methoden war die Site der Aufnahme der minimalen Energie entschlossen und die Vorrichtung der Rotation wurde aufgeklärt. Diese theoretischen Ergebnisse zeigen an, dass die Rotation eines kleinen, einfachen Moleküls wirklich ziemlich komplex ist; während die CH-3 Gruppen des Dimethyl Sulfids um das Au-s Anleihe rotieren, precesses das zentrale S-Atom um ein OberflächenAuatom2.

STM-Bilder, die zeigen, wie ein spinnender molekularer Läufer „gebremst werden kann“ indem man physikalisch es in Richtung zu einer Kette von statischen Molekülen verschiebt.

Durch eine Reihe Einzelmolekül Manipulation experimentiert, haben wir mechanisch die Rotation ein und umkehrbar abgeschaltet, indem wir die Moleküle in Richtung zu oder weg von gegenseitig verschoben. Wenn zwei Läufer nah zusammen gedrückt werden, stoppen sie das Rotieren wegen Anziehungskraft van Der Waals zwischen den Alkylketten. Eins der Hauptziele für den Bereich von molekularen Läufern erstellt bestellte Reihen, mit denen Rotationsenergieausbreitung studieren.

Unsere mechanische Abschaltung von Dibutyl- Sulfidmolekülen zeigt, dass es eine komplexe Wechselwirkung zwischen sterics und Elektrostatik gibt, die die Rotationskupplung von benachbarten Molekülen vermitteln. Gegen dieses Ende haben wir bestellte 2D Reihen der Dibutyl- Sulfidläufer auf einer (111) Oberflächenlegierung Ag/Cu erstellt. Diese Legierung bildet eine sehr regelmäßige sechseckige Reihe hcp und FCC gestapelte Atome und erlaubt, dass die Thioätherläufer genau, mit einem Abstand von 2,6 nm selbst-zusammengebaut werden3,4.

Während unsere vorhergehenden Studien aufdeckten, dass kleine Mengen Wärme zur Veranlassung von Rotation fähig sind, schreibt Thermodynamik vor, dass Wärme allein nicht verwendet werden kann, um nützliche Arbeit in Ermangelung eines Temperaturgradienten durchzuführen. Deshalb damit Moleküle treffen ihr volles Potenzial als Bauteile in den molekularen Maschinen, müssen Methoden für die Kopplung sie zu den externen Energiequellen, die selektiv gewünscht zuwinkt erregen, geplant werden.

Zu diesem Zweck haben wir unter Verwendung eines elektrischen Stroms studiert, um einzelne Dibutyl- Sulfidmoleküle auf Befehl zu rotieren. Für diese Studien wird die Energiequelle über Hochenergieelektronen von der STM-Spitze geliefert. Es wurde gefunden, dass bei den Temperaturen unter 8 K die Moleküle statisch waren und viele Stunden lang an den Tunnelbauspannungen abgebildet stabil sein konnten weniger als eV ±0.35. Jedoch entweder Darstellung oder die Positionierung der STM-Spitze über den Molekülen an den Vorspannungen über eV ±0.35 veranlaßten sie, zwischen ihre drei entfernten Orientierungen zu schalten. Mit isotopischen Kennzeichnungsexperimenten waren wir in der Lage, zu zeigen, dass die Vorrichtung für diese elektrisch-induzierte Rotation Wechselstrom - H-Ausdehnung ist, welches zur Rotation des Moleküls verfällt4,5.

Während diese Studien in der Natur größtenteils grundlegend sind, haben sie große Schritte Vorwärts für den Bereich von molekularen Läufern gemacht. Vor Fünfzig Jahren Richard Feynman drückte seine Träume aus, um die Miniaturisierung von nützlichen Maschinen zu sehen. Heute während wir die Hilfsmittel haben, zum viele dieser Anlagen zu studieren, benötigen wir noch die Fantasie, der Feynman in seiner berühmten Adresse anzeigte, um alles Potenzial für den Gebrauch der nanomachines über jedem Bereich der Wissenschaft und der Technik zu verwirklichen.

Während diese Studie und andere wie es Feynmans „swallowable Chirurgen“ nicht auf die Regale in irgendwelche Speicher eingesetzt haben, fangen wir (die Gemeinschaft der wissenschaftlichen Forschung) gerade an, die notwendige grundlegende Wissenschaft in Richtung zum Erzielen dieser Ziele zu verstehen. Unsere Studien fahren auf dem Gebiet von molekularen Läufern mit chiralen molekularen Läufern5,6 und den Einflüssen von chiralen Scannenfühlerspitzen auf ihre Rotation fort, um das Hilfsprogramm dieser Klasse der einzelnen Molekülläufer weiter zu variieren6,7.


Bezüge

1. Baber A.E. et al. ACS Nano-2, 2385-2391 (2008).
2. Tierney, H.L. et al. J. Phys. Chem. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, H.L. et al. J. Phys. Chem. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, D.O.; Baber, A.E.; Tierney, H.L.; Sykes, EG H.J. Phys. Chem C 113, 5895-5898 (2009).
5. Tierney, H.L. et al. Chem. Eur. J. 15, 9678-9681 (2009).
6. Tierney, H.L.; Han, J.W.; Jewell, A.D.; Iski, E.V.; Baber, A.E.; Sholl, D.S.; Sykes, EG H.J. Phys. Chem. C (2010) in der Druckerei.
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, EG H. Submitted bei Phys. Rev. Lett. (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Charlie Sykes (Büschel-Universität)

Date Added: Nov 21, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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