Molécules de Rotation dans des Moteurs

par Professeur Charlie Sykes

Professeur Charlie Sykes, Organisme de Recherche de Sykes, Orne l'Université
Auteur Correspondant : charles.sykes@tufts.edu

Tandis Que des machines moléculaires pilotées par le produit chimique, la lumière ou les énergies thermiques peuvent être trouvées dans toute la nature, peu de progrès a été accompli vers produire les homologues synthétiques. L'écartement entre la nature et la nanotechnologie demeure dû à la compréhension principale limitée du transfert de l'énergie au mouvement mécanique au nanoscale.

La Compréhension et activer de la rotation de différentes molécules sur des surfaces est une étape essentielle vers le développement des dispositifs de nanoscale tels que les pompes, les senseurs, les lignes à retard, et les applications liquides de signalisation d'hyperfréquences. Un système Récent neuf, stable et robuste des rotors moléculaires se composant des molécules de thioéther (RSR) bondissent aux surfaces métalliques a offert une méthode avec laquelle pour étudier la rotation de différentes molécules en fonction de la température, de la chimie moléculaire, de la proximité des molécules voisines et du courant électrique.

Nos études d'initiale ont utilisé le sulfure dibutylique de thioéther simple et symétrique. Ces molécules adsorbent aux surfaces métalliques par l'intermédiaire de l'atome central de soufre et la rotation des arrières alkyliques se produit autour de l'obligation centrale de S-Métal. Ces molécules semblent hexagonales pendant qu'elles tournent en raison de la superposition de trois orientations équivalentes en ce qui concerne la surface hexagonale hexagonal ci-dessous.

La Rotation de ces molécules à 80 K se produit plus rapidement que d'echelle de temps de la représentation de microscopie de perçage d'un tunnel (STM) de lecture (~2 mn/image), ainsi il n'était pas possible de découpler les orientations superposées à cette température. Lors de refroidir le système davantage (à 5 K) il était possible d'observer les molécules dibutyliques uniques de sulfure en positions statiques, car leur rotation a été arrêtée.

Image de STM de trois rotors moléculaires, juste 1 nanomètre large, tournant à avec 1.000.000 fois par seconde si passionné à une température de 78 Kelvin (- 320 F).

La Basse température STM a permis la mesure de la rotation des molécules dibutyliques de sulfure en fonction de la température et de la quantification du barrage énergétique et du facteur pré-exponentiel pour leur mouvement. Dans ces mesures la boucle de contre-réaction (qui est normalement employée pour moduler la hauteur d'extrémité de STM afin de mettre à jour un courant de perçage d'un tunnel de constante) est arrêtée et le courant de perçage d'un tunnel est surveillée en ce qui concerne le temps (I contre t). En mesurant les tarifs rotationnels à mesure que la température est augmenté, il est possible pour produire des traçages d'Arrhenius de comprendre davantage l'énergétique rotationnelle des différentes molécules.

Pour comprendre l'interaction entre les arrières alkyliques du rotor et la surface nous avons étudié la rotation des molécules de thioéther en fonction de la portée. Des sulfures Diméthylique-, diéthylique-, dibutylique- et de dihexyl ont été étudiés, et on l'a constaté que tous les rotors excepté le sulfure diméthyle étaient statiques à 7 K. Chacune de la substance moléculaire était alors passionnée jusqu'à ce qu'ils aient visiblement tourné dans des images de STM.

Intéressant, le début thermique à la rotation s'est avéré presque identique pour les molécules étudiées de thioéther avec les arrières alkyliques de deux carbones ou davantage. Il est proposé que ce plateau dans le début thermique ait été dû à un effet entre les degrés de liberté dans l'arrière alkylique contre la longueur en esclavage de S-Métal, qui a été supportée par des calculs ultérieurs de dynamique moléculaire1,2.

À La Différence de plus longs thioéthers alkyl-enchaînés, des molécules diméthyles de sulfure été vues pour tourner trop rapidement pour mesurer à 7 Études expérimentales de K. ont affiché qu'un barrage très faible à la rotation, en tant que sulfure diméthyle >10 Hertz tourné3 par molécules à 5 K. Comprenait davantage la rotation de cette molécule, études de DFT ont ont été utilisées pour prévoir le barrage rotationnel. En Outre, suivre des méthodes théoriques le site d'adsorption d'énergie minimum était déterminé et le mécanisme de la rotation a été élucidé. Ces résultats théoriques indiquent que la rotation d'une petite, simple molécule est réellement plutôt complexe ; pendant que les groupes3 de CH de sulfure diméthyle tournent autour de l'obligation d'Au-s, l'atome central de S précède autour d'un atome extérieur d'Au2.

Images de STM affichant comment un rotor moléculaire de rotation peut « être formé à la presse » en le déménageant matériel vers un réseau des molécules statiques.

Par une suite de manipulation d'unique-molécule expérimente, nous avons mécaniquement commuté la rotation en marche et en arrêt réversiblement en éloignant les molécules vers ou d'une un un autre. Si deux rotors sont poussés étroitement ensemble, ils arrêtent la rotation due à l'attraction de van der Waals entre les réseaux alkyliques. Un des objectifs principaux pour la zone des rotors moléculaires produit les alignements commandés avec lesquels pour étudier le bouturage d'énergie rotationnelle.

Notre mise hors fonction mécanique des molécules dibutyliques de sulfure explique qu'il y aura un effet complexe entre le sterics et l'électrostatique qui négocieront le couplage rotationnel des molécules voisines. Vers cette extrémité, nous avons produit les 2D alignements commandés de rotors dibutyliques de sulfure sur des 111) alliages de surface d'Ag/Cu (. Cet alliage forme un alignement hexagonal très régulier de hcp et d'atomes empilés par FCC, et permet aux rotors de thioéther auto-d'être avec précision assemblés, avec un écartement de 2,6 nanomètre3,4.

Tandis Que nos études précédentes indiquaient que les petites quantités d'énergie thermique sont capables d'induire la rotation, la thermodynamique dicte que seule de l'énergie thermique ne peut pas être employée pour effectuer le travail utile faute de gradient de température. Par Conséquent, pour que les molécules atteignent leur plein potentiel comme composants dans des machines moléculaires, les méthodes pour les accoupler aux sources externes d'énergie qui excitent sélecteur désiré fait signe doivent être conçues.

À cet effet, nous avons étudié utilisant un courant électrique pour tourner différentes molécules dibutyliques de sulfure sur la commande. Pour ces études la source d'énergie est fournie par l'intermédiaire des électrons de haute énergie à partir de l'extrémité de STM. On l'a constaté qu'aux températures en-dessous de 8 K les molécules étaient statiques et pourraient être stablement imagées pendant beaucoup d'heures aux tensions de perçage d'un tunnel moins que l'eV ±0.35. Cependant, la représentation ou positionner l'extrémité de STM au-dessus des molécules aux polarisations au-dessus de l'eV ±0.35 les a faites commuter entre leurs trois orientations éloignées. Avec des expériences de écriture de labels isotopiques nous pouvions prouver que le mécanisme pour cette rotation électrique-induite est Courant alternatif - extension de H ce qui diminue à la rotation de la molécule4,5.

Tandis Que ces études sont en grande partie principales en nature, elles ont rendu des pas grands avant pour la zone des rotors moléculaires. Il y a Cinquante ans de Richard Feynman a exprimé ses rêves pour voir la miniaturisation des machines utiles. Aujourd'hui, alors que nous avons les outils pour étudier plusieurs de ces systèmes, nous avons besoin toujours de l'imagination que Feynman a affiché dans son adresse célèbre pour réaliser tout les potentiel pour l'usage des nanomachines en travers de chaque zone de scientifique et technique.

Tandis Que cette étude et d'autres comme lui n'ont mis les chirurgiens « swallowable » de Feynman sur les rayons dans aucune mémoire, nous (la communauté de la recherche scientifique) commençons juste à comprendre la science principale nécessaire vers atteindre ces objectifs. Nos études continuent dans le domaine des rotors moléculaires avec les rotors moléculaires chiraux5,6 et les influences des extrémités chirales de sonde de lecture sur leur rotation afin de diversifier davantage l'installation de cette classe des rotors uniques de molécule6,7.


Références

1. Baber A.E. et autres Nano 2, 2385-2391 d'ACS (2008).
2. Tierney, H.L. et autres J. Phys. Chim. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, H.L. et autres J. Phys. Chim. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, D.O. ; Baber, A.E. ; Tierney, H.L. ; Sykes, la COMMUNAUTÉ EUROPÉENNE H.J. Phys. Chem C 113, 5895-5898 (2009).
5. Tierney, H.L. et autres 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, la COMMUNAUTÉ EUROPÉENNE H.J. Phys. Chim. C (2010) En Cours D'impression.
7. Tierney, H.L. ; Jewell, A.D. ; Baber, A.E. ; Iski, E.V. ; Sykes, la COMMUNAUTÉ EUROPÉENNE H. Submitted à Phys. Rev. Lett. (2010).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Charlie Sykes (Université de Touffes)

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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