Moléculas Que Giran en los Motores

por Profesor Charlie Sykes

Profesor Charlie Sykes, Grupo de Investigación de Sykes, Empenacha la Universidad
Autor Correspondiente: charles.sykes@tufts.edu

Mientras Que las máquinas moleculares impulsadas por la substancia química, la luz o las energías térmicas se pueden encontrar en la naturaleza, poco progreso se ha hecho hacia crear contrapartes sintetizadas. La separación entre la naturaleza y la nanotecnología sigue siendo debido a la comprensión fundamental limitada de la transferencia de la energía al movimiento mecánico en el nanoscale.

La Comprensión y actuar de la rotación de moléculas individuales en superficies es un paso de progresión crucial hacia el revelado de los dispositivos del nanoscale tales como bombas, sensores, líneas de retardo, y aplicaciones flúidos de la transmisión de señales de la microonda. Recientemente un nuevo, estable y robusto sistema de rotores moleculares que consisten en las moléculas del tioéter (RSR) limita a las superficies de metal ha ofrecido un método con el cual estudiar la rotación de moléculas individuales en función de la temperatura, de la química molecular, de la proximidad de moléculas vecinas y de la corriente eléctrica.

Nuestros estudios de la inicial utilizaron el sulfuro dibutil del tioéter simple, simétrico. Estas moléculas adsorben a las superficies de metal vía el átomo central del azufre y la rotación de las colas alkílicas ocurre alrededor del bono central del S-Metal. Estas moléculas aparecen hexagonales mientras que giran debido a la superposición de tres orientaciones equivalentes en cuanto a hexagonal-pila de discos la superficie abajo.

La Rotación de estas moléculas en 80 K ocurre más rápidamente que el de escala de tiempo de la proyección de imagen de la microscopia el hacer un túnel (STM) de la exploración (~2 minutos/imagen), así que no era posible desemparejar las orientaciones sobrepuestas en esta temperatura. Sobre el enfriamiento del sistema más lejos (a 5 K) era posible observar las únicas moléculas dibutiles del sulfuro en posiciones estáticas, pues su rotación fue parada.

Imagen de tres rotores moleculares, apenas 1 nanómetro de STM de ancho, haciendo girar en durante 1.000.000 veces por segundo cuando está calentado a una temperatura de 78 Kelvin (- 320 F).

STM A Baja Temperatura permitió la medición de la rotación de las moléculas dibutiles del sulfuro en función de la temperatura y de la cuantificación de la barrera enérgica y del factor pre-exponencial para su movimiento. En estas mediciones se apaga el bucle de retroalimentación (que se utiliza normalmente para modular la altura de punta de STM para mantener una corriente el hacer un túnel del constante) y la corriente el hacer un túnel se vigila en cuanto al tiempo (I comparado con t). Midiendo el tipo rotatorio como la temperatura se aumenta, él es posible crear los gráficos de Arrhenius de entender más lejos la energética rotatoria de las moléculas individuales.

Para entender la acción recíproca entre las colas alkílicas del rotor y la superficie estudiamos la rotación de las moléculas del tioéter en función de la longitud de cadena. Los sulfuros Dimethyl, dietílicos, dibutiles y del dihexyl fueron estudiados, y fue encontrado que todos los rotores excepto el sulfuro dimethyl eran estáticos en 7 K. Cada Uno de la especie molecular entonces fue calentada hasta que giraran visiblemente dentro de las imágenes de STM.

Interesante, el inicio térmico a la rotación fue encontrado para ser casi idéntico para las moléculas estudiadas del tioéter con las colas alkílicas de dos carbones o más. Se propone que este platillo en inicio térmico era debido a una interacción entre los grados de libertad en la cola alkílica comparado con la longitud en enlace del S-Metal, que fue utilizada por cálculos subsiguientes de la dinámica molecular1,2.

A Diferencia de tioéteres alquilo-encadenados más largos, las moléculas dimethyl del sulfuro fueron vistas para girar demasiado rápidamente para medir en 7 K. Experimental que los estudios mostraron una barrera muy inferior a la rotación, como sulfuro dimethyl >10 girado las moléculas3 Hertz en 5 K. Para entender más lejos la rotación de esta molécula, estudios de DFT fueron utilizadas para calcular la barrera rotatoria. También, usando métodos teóricos el sitio de la adsorción de la energía mínima era resuelto y el mecanismo de la rotación fue aclarado. Estos resultados teóricos indican que la rotación de una molécula pequeña, simple es real bastante compleja; mientras que los grupos3 del CH de sulfuro dimethyl giran alrededor del bono del Au-s, el átomo central de S progresa con un movimiento de precesión alrededor de un átomo superficial del Au2.

Imágenes de STM que muestran cómo un rotor molecular de giro puede “ser frenado” físicamente moviéndolo hacia un encadenamiento de moléculas estáticas.

Con una serie de manipulación de la único-molécula experimenta, hemos cambiado mecánicamente la rotación por intervalos reversible moviendo las moléculas hacia o lejos de otra. Si dos rotores se activan cerca juntos, paran la rotación debido a la atracción de van der Waals entre los encadenamientos alkílicos. Una de las metas mayores para el campo de rotores moleculares está creando las matrices pedidas con las cuales estudiar la propagación de la energía rotatoria.

Nuestra desactivación mecánica de las moléculas dibutiles del sulfuro demuestra que habrá una interacción compleja entre el sterics y la electrostática que mediarán el acoplamiento rotatorio de moléculas vecinas. Hacia este extremo, hemos creado 2.as matrices pedidas de rotores dibutiles del sulfuro en 111) aleaciones de la superficie de Ag/Cu (. Esta aleación forma un arsenal hexagonal muy regular de hcp y de átomos empilados FCC, y permite que los rotores del tioéter uno mismo-sean ensamblados exacto, con una separación de 2,6 nanómetro3,4.

Mientras Que nuestros estudios anteriores revelaron que las pequeñas cantidades de energía térmica son capaces de inducir la rotación, la termodinámica dicta que la energía térmica solamente no se puede utilizar para realizar el trabajo útil en ausencia de un gradiente de temperatura. Por Lo Tanto, para que las moléculas resuelvan su capacidad máxima como componentes en máquinas moleculares, los métodos para acoplarlas a las fuentes de energía externas que excitan selectivamente deseado indican deben ser ideados.

Con este fin, hemos estudiado usando una corriente eléctrica para girar las moléculas dibutiles individuales del sulfuro en mando. Para estos estudios la fuente de energía se suministra vía electrones de alta energía de la punta de STM. Fue encontrado que en las temperaturas debajo de 8 K las moléculas eran estáticas y podrían ser estable reflejadas por muchas horas en los voltajes el hacer un túnel menos que el eV ±0.35. Sin Embargo, la proyección de imagen o la colocación de la punta de STM sobre las moléculas en los polarizado encima del eV ±0.35 los hizo cambiar entre sus tres orientaciones distantes. Con experimentos de etiqueta isotópicos podíamos mostrar que el mecanismo para esta rotación eléctrico-inducida es A.C. - alargamiento de H cuál decae a la rotación de la molécula4,5.

Mientras Que estos estudios son sobre todo fundamentales en naturaleza, han hecho grandes zancadas delanteras para el campo de rotores moleculares. Hace Cincuenta años de Richard Feynman expresó sus sueños para ver la miniaturización de máquinas útiles. Hoy, mientras que tenemos las herramientas para estudiar muchos de estos sistemas, todavía necesitamos la imaginación que Feynman visualizó en su direccionamiento famoso para explotar todo el potencial para el uso de nanomachines a través de cada campo de la ciencia y de la ingeniería.

Mientras Que este estudio y otros como él no han puesto a los cirujanos “ingeribles” de Feynman en los salientes en ninguna almacenes, (la comunidad de investigación científica) apenas estamos comenzando a entender la ciencia fundamental necesaria hacia lograr estas metas. Nuestros estudios están continuando en el campo de rotores moleculares con los rotores moleculares quirales5,6 y las influencias de las puntas quirales de la antena de la exploración en su rotación para diversificar más lejos el utilitario de esta clase de los únicos rotores de la molécula6,7.


Referencias

1. Baber A.E. y otros ACS 2 Nanos, 2385-2391 (2008).
2. Tierney, H.L. y otros J. Phys. Quím. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, H.L. y otros J. Phys. Quím. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, D.O.; Baber, A.E.; Tierney, H.L.; Sykes, COMUNIDAD EUROPEA H.J. Phys. Chem C 113, 5895-5898 (2009).
5. Tierney, H.L. y otros 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, COMUNIDAD EUROPEA H.J. Phys. Quím. C (2010) En Prensa.
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, COMUNIDAD EUROPEA H. Submitted a Phys. Rev. Lett. (2010).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Charlie Sykes (Universidad de los Penachos)

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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