Molecole di Tornitura nei Motori

dal Professor Charlie Sykes

Il Professor Charlie Sykes, Gruppo Di Ricerca di Sykes, Tufts University
Autore Corrispondente: charles.sykes@tufts.edu

Mentre i commputer molecolari guidati dal prodotto chimico, dall'indicatore luminoso o dalle energie termiche possono essere trovati in tutto la natura, pochi progressi sono stati realizzati verso la creazione delle controparti sintetiche. La differenza fra la natura e la nanotecnologia rimane dovuto la comprensione fondamentale limitata del trasferimento di energia in moto meccanico al nanoscale.

La Comprensione ed attivare della rotazione di diverse molecole sulle superfici sono un punto cruciale verso lo sviluppo delle unità del nanoscale quali le pompe, i sensori, le righe di mora e le applicazioni fluidi di segnalazione di microonda. Un sistema Recentemente nuovo, stabile e robusto dei rotori molecolari che consistono delle molecole del tiotere (RSR) limita alle superfici di metallo ha offerto un metodo con cui studiare la rotazione di diverse molecole in funzione della temperatura, della chimica molecolare, della prossimità delle molecole vicine e della corrente elettrica.

I Nostri studi di iniziale hanno usato il solfuro dibutilico del tiotere semplice e simmetrico. Queste molecole adsorbono alle superfici di metallo via l'atomo centrale dello zolfo e la rotazione delle code alchiliche si presenta intorno all'obbligazione centrale del S-Metallo. Queste molecole sembrano esagonali mentre girano dovuto la sovrapposizione di tre orientamenti equivalenti riguardo alla superficie confezionata esagonale qui sotto.

La Rotazione di queste molecole a 80 K accade più velocemente del della scala del tempo della rappresentazione di microscopia di traforo (STM) di scansione (~2 minuti/immagine), in modo da non era possibile disaccoppiare gli orientamenti sovrapposti a questa temperatura. Sopra il raffreddamento del sistema più ulteriormente (a 5 K) era possibile osservare le singole molecole dibutiliche del solfuro nelle posizioni statiche, poichè la loro rotazione è stata fermata.

Un'immagine di tre rotori molecolari, appena 1 nanometro di STM ampio, filando oltre a 1.000.000 volte al secondo una volta riscaldato ad una temperatura di 78 Kelvin (- 320 F).

STM A Bassa Temperatura ha permesso la misura della rotazione delle molecole dibutiliche del solfuro in funzione della temperatura e della quantificazione sia della barriera energetica che del fattore pre-esponenziale per il loro moto. In queste misure il ciclo di feedback (che è usato normalmente per modulare l'altezza di suggerimento di STM per mantenere una corrente di traforo di costante) è spento e la corrente di traforo è riflesso riguardo a tempo (I contro t). Misurando la tariffa rotazionale come la temperatura è aumentato, è possibile per creare i tracciati di Arrhenius più ulteriormente capire l'energetica rotazionale di diverse molecole.

Per capire l'interazione fra le code alchiliche del rotore e la superficie abbiamo studiato la rotazione delle molecole del tiotere in funzione della lunghezza a catena. I solfuri Dimetilici, etilici, dibutilici e di dihexyl sono stati studiati ed è stato trovato che tutti rotori eccetto solfuro dimetilico erano statici a 7 K. Ciascuna delle specie molecolari poi è stata riscaldata finché non stessero girando visibilmente all'interno delle immagini di STM.

Interessante, l'inizio termico a rotazione è stato trovato per essere quasi identico per le molecole studiate del tiotere con le code alchiliche di due carboni o più. È proposto che questo plateau nell'inizio termico sia stato dovuto un'interazione fra i gradi di libertà nella coda alchilica contro la lunghezza schiava del S-Metallo, che è stata supportata dai calcoli successivi di dinamica molecolare1,2.

A Differenza dei tiotere alchile-incatenati più lunghi, le molecole dimetiliche del solfuro sono state vedute per girare troppo rapidamente per misurare a 7 K. Experimental che gli studi hanno mostrato una barriera molto bassa a rotazione, come solfuro dimetilico >10 Hertz rotante3 molecole a 5 K. Per più ulteriormente capire la rotazione di questa molecola, studi di DFT sono state usate per calcolare la barriera rotazionale. Inoltre, facendo uso dei metodi teorici il sito dell'adsorbimento di energia minima era risoluto ed il meccanismo di rotazione è stato delucidato. Questi risultati teorici indicano che la rotazione di piccola, molecola semplice è realmente piuttosto complessa; mentre i gruppi3 di CH di solfuro dimetilico girano intorno all'obbligazione dell'Au-s, l'atomo centrale di S precesses intorno ad un atomo di superficie dell'Au2.

Immagini di STM che mostrano come un rotore molecolare di filatura può “essere frenato„ fisicamente muovendolo verso una catena delle molecole statiche.

Con una serie di manipolazione della unico molecola sperimenta, abbiamo passato meccanicamente la rotazione in funzione e a riposo reversibilmente muovendo le molecole verso o a partire da una un altro. Se due rotori sono spinti insieme vicino, fermano la rotazione dovuto l'attrazione di van der Waals fra le catene alchiliche. Uno degli scopi principali per il campo dei rotori molecolari sta creando le schiere ordinate con cui studiare propagazione di energia rotazionale.

La Nostra disattivazione meccanica delle molecole dibutiliche del solfuro dimostra che ci sarà un'interazione complessa fra lo sterics e l'elettrostatica che medieranno l'accoppiamento rotazionale delle molecole vicine. Verso questa estremità, abbiamo creato le 2D schiere ordinate dei rotori dibutilici del solfuro su una 111) lega della superficie di Ag/Cu (. Questa lega forma una schiera esagonale molto regolare di hcp e degli atomi impilati FCC e che permette che i rotori del tiotere auto-siano montati precisamente, con un gioco di 2,6 nanometro3,4.

Mentre i nostri studi precedenti hanno rivelato che le piccole quantità di energia termica sono capaci dell'induzione della rotazione, la termodinamica detta che l'energia termica da solo non può essere usata per realizzare il lavoro utile in assenza di un gradiente geotermico. Di Conseguenza, affinchè le molecole incontrino la loro piena capacità come componenti in commputer molecolari, i metodi per la coppia loro alle fonti di energia esterne che eccitano selettivamente desiderato fanno segno a devono essere inventati.

A questo scopo, abbiamo studiato facendo uso di una corrente elettrica per girare le diverse molecole dibutiliche del solfuro sul comando. Per questi studi la fonte di energia è fornita via gli elettroni dell'alta energia dal suggerimento di STM. È stato trovato che alle temperature inferiore a 8 K le molecole erano statiche e potrebbero essere stabile imaged per molte ore alle tensioni di traforo più di meno del eV ±0.35. Tuttavia, la rappresentazione o posizionare STM ribalta le molecole alle tendenziosità sopra eV ±0.35 le ha indotte a passare fra i loro tre orientamenti distanti. Con gli esperimenti di contrassegno isotopici potevamo indicare che il meccanismo per questa da rotazione indotta da elettrica è Corrente alternata - allungamento di H quale si decompone alla rotazione della molecola4,5.

Mentre questi studi sono principalmente fondamentali in natura, hanno reso le grandi andature di andata per il campo dei rotori molecolari. Cinquanta anni fa di Richard Feynman ha espresso i suoi sogni per vedere la miniaturizzazione dei commputer utili. Oggi, mentre abbiamo gli strumenti per studiare molti di questi sistemi, ancora abbiamo bisogno dell'immaginazione che Feynman video nel suo indirizzo famoso per realizzare tutto potenziale per l'uso dei nanomachines attraverso ogni campo di scienza e di assistenza tecnica.

Mentre questo studio ed altri come non hanno messo i chirurghi “swallowable„ di Feynman sugli scaffali in alcune memorie, (la comunità di ricerca scientifica) stiamo cominciando appena a capire la scienza fondamentale necessaria verso il raggiungimento dei questi scopi. I Nostri studi stanno continuando nel campo dei rotori molecolari con i rotori molecolari chirali5,6 e nelle influenze dei suggerimenti chirali della sonda di scansione sulla loro rotazione per più ulteriormente differenziare l'utilità di questa classe di singoli rotori della molecola6,7.


Riferimenti

1. Baber A.E. et al. ACS 2 Nani, 2385-2391 (2008).
2. Tierney, H.L. et al. J. Phys. Chim. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, H.L. et al. J. Phys. Chim. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, D.O.; Baber, A.E.; Tierney, H.L.; Sykes, la COMUNITÀ EUROPEA 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, la COMUNITÀ EUROPEA H.J. Phys. Chim. C (2010) In Stampa.
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, la COMUNITÀ EUROPEA H. Submitted a Phys. Rev. Lett. (2010).

Copyright AZoNano.com, il Professor Charlie Sykes (Tufts University)

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

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