モーターへの回転分子

教授によってチャーリー Sykes

チャーリー Sykes の Sykes の研究グループ教授は、大学を房状にしています
対応する著者: charles.sykes@tufts.edu

化学薬品、ライトまたは熱エネルギーによって運転される分子機械が性質全体見つけることができる間、少し進歩は総合的な同等の作成の方になされました。 性質とナノテクノロジー間のギャップは nanoscale で機械動きへのエネルギー移動の限られた基本的な理解が原因に残ります。

表面の個々の分子の回転を理解し、作動させることは流動ポンプ、センサー、遅延線およびマイクロウェーブシグナリングアプリケーションのような nanoscale 装置の開発の方の重要な一歩です。 最近スルフィドの分子 (RSR) から成っている金属表面に分子回転子の新しく、安定した強いシステムは提供しました近隣の分子の温度、分子化学、近さおよび電流の機能として個々の分子の回転を調査するため方法を区切ます。

私達の頭文字の調査は簡単で、対称的なスルフィドの二つのブチル基から成る硫化を使用しました。 これらの分子は中央硫黄原子によって金属表面に吸着し、アルキルテールの回転は中央 S 金属の結束のまわりに発生します。 これらの分子は次六角形でいっぱいの表面に関して 3 つの同等のオリエンテーションの重ね合わせが原因で回すと同時に六角形のようです。

80 K のこれらの分子の回転はスキャンのトンネルを掘る顕微鏡検査イメージ投射 (~2 分/画像 (STM)) のタイム・スケールより速く発生します、従ってこの温度で重ねられたオリエンテーションを結合解除することは可能ではなかったです。 システムを更に冷却した上回転が停止したので (5 に K) 固定陣地の単一の二つのブチル基から成る硫化分子を観察することは可能だったでした。

78 ケルビンの温度に熱された場合 3 つの分子回転子の STM の画像、ちょうど 1 ナノメーター広い、毎秒 1,000,000 時にに回ります (- 320 F)。

低温 STM は動きのための精力的な障壁そして前指数要因両方の温度そして定量化の機能として二つのブチル基から成る硫化分子の回転の測定を可能にしました。 これらの測定で (STM のチップ高さを調整するのに定数のトンネルを掘る流れを維持するために普通使用されている) フィードバックループ時間 (It) に関してトンネルを掘る流れ監視されます消え。 温度として回転レートの測定によって、それです更に個々の分子の回転エネルギー論を理解する Arrhenius のプロットを作成すること可能増加されます。

回転子のアルキルテールと表面間の相互作用を理解するためには私達はチェーン長さの機能としてスルフィドの分子の回転を調査しました。 ジメチル、ジエチル、二つのブチル基から成るおよび dihexyl の硫化は調査され、ジメチル硫化を除く回転子すべてが 7 時 K. で静的だったことが分られました。 分子種のそれぞれはそれからそれらが STM の画像の内で明らかに回っていたまで熱されました。

興味深いことに、回転への熱手始めはのまたはもっとアルキルテール 2 つのカーボンを搭載する調査されたスルフィドの分子のためにほぼ同一であると見つけられました。 熱手始めのこのプラトーがアルキルテールの自由度間の相互作用が原因対それに続く分子動力学法の計算によってサポートされた S 金属のとらわれの長さだったことが提案されます1,2

より長いアルキル連鎖されたスルフィドとは違って回転障壁を計算するのに、ジメチル硫化分子は 5 時 K. でジメチル硫化分子によって回された >10 Hz として調査が回転に更にこの分子の回転、 DFT の調査を理解するために非常に3 低い障壁を示した 7 時 K. Experimental で、測定するには余りにすぐに回るように使用されました見られました。 また、理論的な方法を使用して最小エネルギー吸着サイトは断固としたであり、回転のメカニズムは明瞭になりました。 これらの理論的な結果は小さく、簡単な分子の回転が実際に幾分複雑であることを示します; ジメチル硫化の3 CH のグループが AuS の結束のまわりで回ると同時に、中央 S 原子は表面の Au 原子のまわりで歳差運動します2

回転の分子回転子が物理的に静的な分子かの鎖の方のそれを移動することによって 「」どのようにブレーキをかけることができるか示す STM の画像。

一連の単一分子の処理によって実験します、私達は機械的に互いの方にまたはから分子を移動することによる回転を可逆に不規則に切替えました。 2 つの回転子がすぐそばに押されれば、アルキル鎖間の van der Waals の魅力による回転を停止します。 分子回転子のフィールドのための主要な目的の 1 つは回転エネルギー伝搬を調査するため発注されたアレイを作成しています。

二つのブチル基から成る硫化分子の私達の機械非活動化は近隣の分子の回転カップリングを仲介する静電気学と sterics 間に複雑な相互作用があることを示します。 一方の端の方に、私達は Ag/Cu の (111 の) 表面の合金の二つのブチル基から成る硫化回転子の発注された第 2 アレイを作成しました。 この合金は hcp および fcc によってスタックされる原子の非常に規則的な六角形のアレイを形作り、スルフィドの回転子が正確に 2.6 nm の間隔と、自己組み立てられるようにします3,4

熱エネルギーの少量は回転を誘導することができることを私達の前の調査が明らかにする間、熱力学は気温傾度がない時有用な作業を行うのに単独で熱エネルギーが使用することができないことを定めます。 従って、選択式に望まれる合図する刺激する外部エネルギー源に分子機械のコンポーネントとして豊富な可能性に、それらをつなぐための方法は会う分子のために案出されなければなりません。

コマンドの個々の二つのブチル基から成る硫化分子を回すためにこれを受けて、私達は電流を使用して調査しました。 これらの調査のためにエネルギー源は STM の先端から高エネルギー電子によって供給されます。 8 K の下の温度で分子が静的で、 ±0.35 eV よりより少なくトンネルを掘る電圧で多くの時間の間固定して視覚化されることができることが分られました。 ただし、 ±0.35 eV の上のバイアスでイメージ投射によりか分子上の STM の先端を置くことはそれらは 3 つの遠いオリエンテーションの間で切替えました。 同位体分類の実験によって私達はこの電気誘発の回転のためのメカニズムが A.c. - 腐るかどれが分子の回転に H の伸張であることを示せました4,5

これらの調査が実際のところ大抵基本的な間、すばらしい大きな前進を分子回転子のフィールドのために作りました。 リチャード 50 年の前に Feynman 彼の夢を有用な機械の小型化を見るために表現しました。 現在私達にこれらのシステムの多数を調査するツールがあるが私達はまだ科学および工学のあらゆるフィールドを渡る nanomachines の使用のための潜在性すべてを実現するために Feynman が彼の有名なアドレスで表示した想像を必要とします。

この調査およびそれのような他があらゆる記憶装置に棚に Feynman の 「swallowable 外科医」を置かない間、私達は (科学研究のコミュニティ) ちょうどこれらの目的の達成の方に必要で基本的な科学を理解し始めています。 私達の調査は chiral 分子回転子が付いている分子回転子のフィールドおよび回転5,6 の chiral スキャンのプローブの先端の影響で更に単一の分子の回転子のこのクラスのユーティリティを多様化させ続けています6,7


参照

1. Baber A.E。 等 ACS Nano 2、 2385-2391 (2008 年)。
2. Tierney、 H.L. 等 J. Phys。 Chem。 C 113、 10913-10920 (2009 年)。
3. Tierney、 H.L. 等 J. Phys。 Chem。 C 114、 3152-3155 (2010 年)。
4. Bellisario、 D.O.; Baber、 A.E.; Tierney、 H.L.; Sykes、 E.C.H.J. Phys。 Chem C 113、 5895-5898 (2009 年)。
5. Tierney、 H.L. 等 Chem。 Eur. J. 15、 9678-9681 (2009 年)。
6. Tierney、 H.L.; ハン、 J.W.; Jewell、 A.D.; Iski、 E.V.; Baber、 A.E.; Sholl、 D.S.; Sykes、 E.C.H.J. Phys。 Chem。 出版物の C (2010 年)。
7. Tierney、 H.L.; Jewell、 A.D.; Baber、 A.E.; Iski、 E.V.; Sykes、 Phys に E.C.H. Submitted。 Lett Rev。 (2010 年)。

、版権 AZoNano.com チャーリー Sykes (房大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

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