Het Veranderen van Molecules in Motoren

door Professor Charlie Sykes

Professor Charlie Sykes, Sykes Onderzoeksteam, de Universiteit van Bosjes
Overeenkomstige auteur: charles.sykes@tufts.edu

Terwijl de moleculaire die machines door chemische, lichte of thermische energieën worden gedreven door aard kunnen worden gevonden, is weinig vooruitgang geboekt naar het creëren van synthetische tegenhangers. Het hiaat tussen aard en nanotechnologie blijft toe te schrijven aan het beperkte fundamentele begrip van de overdracht van energie aan mechanische motie bij nanoscale.

Het Begrip van en het aandrijven van de omwenteling van individuele molecules op oppervlakten zijn een essentiële stap naar de ontwikkeling van nanoscaleapparaten zoals vloeibare pompen, sensoren, vertragingslijnen, en microgolf signalerende toepassingen. Onlangs heeft een nieuw, stabiel en robuust systeem van moleculaire rotoren die uit thioether molecules (RSR) bestaan verbindend aan metaaloppervlakten een methode aangeboden waarmee om de omwenteling van individuele molecules als functie van temperatuur te bestuderen, moleculaire chemie, nabijheid naburige molecules en elektrostroom.

Onze aanvankelijke studies gebruikten het eenvoudige, symmetrische thioether dibutyl sulfide. Deze molecules adsorberen aan metaal oppervlakten via het centrale zwavelatoom en de omwenteling van de alkyl staarten komt rond centrale de s-Metaal band voor. Deze molecules lijken hexagonaal aangezien zij wegens superposition van drie gelijkwaardige richtlijnen met betrekking tot de hexagonally-ingepakte hieronder oppervlakte roteren.

De Omwenteling van deze molecules bij 80 K komt sneller voor dan de termijn van aftasten het een tunnel graven de microscopie (STM)weergave (~2 min/beeld), zodat was het niet mogelijk om de toegevoegde richtlijnen bij deze temperatuur los te koppelen. Op het koelen van het systeem verder (aan 5 K) het was mogelijk om de enige dibutyl sulfidemolecules in statische posities waar te nemen, aangezien hun omwenteling werd gestopt.

Het beeld van STM van drie moleculaire rotoren, enkel 1 brede nanometer, spinnend bij meer dan 1.000.000 keer per seconde wanneer verwarmd aan een temperatuur van 78 Kelvin (- 320 F).

STM Bij Lage Temperatuur stond de meting van de omwenteling van de dibutyl sulfidemolecules als functie van temperatuur en de getalsmatige weergave van zowel de energieke barrière als pre-exponentialfactor voor hun motie toe. In deze metingen koppel lijn (die normaal wordt gebruikt om de het uiteindehoogte van STM te moduleren om een constante een tunnel gravende stroom) terug te handhaven wordt uitgezet en de een tunnel gravende stroom wordt gecontroleerd met betrekking tot tijd (I versus t). Door het rotatietarief te meten aangezien de temperatuur wordt verhoogd, is het mogelijk om percelen tot stand te brengen Arrhenius om de rotatieenergetica van de individuele molecules verder te begrijpen.

Om de interactie tussen de alkyl staarten van rotor en de oppervlakte te begrijpen bestudeerden wij de omwenteling van thioether molecules als functie van kettingslengte. Dimethyl-, diethyl-, dibutyl- en dihexylsulfiden werden bestudeerd, en men vond dat alle rotoren behalve dimethyl sulfide bij 7 K. statisch waren. Elk van de moleculaire species werd toen verwarmd tot zij zichtbaar binnen de beelden van STM roteerden.

Interessant, werd het thermische begin aan omwenteling gevonden bijna identiek om voor bestudeerde thioether molecules met alkyl staarten van twee koolstof te zijn of meer. Men stelt voor dat dit plateau in thermisch begin aan een interactie tussen graden van vrijheid in de alkyl staart versus s-Metaal bandlengte toe te schrijven was, die door verdere moleculaire dynamicaberekeningen werd gesteund1,2.

In Tegenstelling Tot langere alkyl-geketende thioethers, werden dimethyl sulfidemolecules gezien te snel roteren om bij 7 die Experimental studies van K. een zeer lage barrière te meten aan omwenteling worden getoond, aangezien dimethyl sulfidemolecules >10 Herz3 bij 5 K. roteerden om de omwenteling van deze molecule verder te begrijpen, studies DFT werden gebruikt om de rotatiebarrière te berekenen. Ook, gebruikend theoretische methodes werd de minimumplaats van de energieadsorptie bepaald en het mechanisme van omwenteling werd nader toegelicht. Deze theoretische resultaten wijzen erop dat de omwenteling van een kleine, eenvoudige molecule eigenlijk eerder complex is; aangezien de groepen3 van CH dimethyl sulfide rond de band Au-S roteren, gaat het centrale atoom van S rond een atoom van oppervlakteAu2vooraf.

De beelden tonen die van STM hoe een spinnende moleculaire rotor „kan worden geremd“ door het naar een ketting van statische molecules fysisch op weg te zijn.

Door een reeks experimenten van de enig-moleculemanipulatie, hebben wij mechanisch de omwenteling aan en uit omkeerbaar door elkaar op weg te zijn de molecules naar of vanaf geschakeld. Als twee rotoren dicht samen worden geduwd, houden zij roteren tegen wegens van der Waals aantrekkelijkheid tussen de alkyl kettingen. Één van de belangrijkste doelstellingen voor het gebied van moleculaire rotoren leidt tot bevolen series waarmee om rotatie-energiepropagatie te bestuderen.

Onze mechanische deactivering van dibutyl sulfidemolecules toont aan dat er een complexe interactie tussen sterics en elektrostatica zal zijn die de rotatiekoppeling van naburige molecules zullen bemiddelen. Tegen dit eind, hebben wij bevolen 2D series van dibutyl sulfiderotoren op een Ag/Cu (111) oppervlaktelegering gecreeerd. Deze legering vormt een zeer regelmatige hexagonale serie van hcp en fcc gestapelde atomen, en laat de thioether rotoren toe om precies, met het uit elkaar plaatsen van 2.6 NM zelf- wordengeassembleerd3,4.

Terwijl onze vorige studies openbaarden dat de kleine hoeveelheden thermische energie omwenteling kunnen veroorzaken, dicteert de thermodynamica dat de thermische energie alleen niet kan worden gebruikt om het nuttige werk bij gebrek aan een temperatuurgradiënt uit te voeren. Daarom voor molecules om hun volledig potentieel als componenten in moleculaire machines te ontmoeten, moeten de methodes om hen aan externe energiebronnen te koppelen die selectief de gewenste moties opwekken worden bedacht.

Daartoe, hebben wij gebruikend een elektrostroom om individuele dibutyl sulfidemolecules op bevel te roteren bestudeerd. Voor deze studies wordt de energiebron geleverd via hoge energieelektronen van het uiteinde van STM. Men vond dat bij temperaturen onder 8 K de molecules statisch waren en stabiel imaged konden zijn voor vele uren bij het een tunnel graven voltages minder dan ±0.35 eV. Nochtans, of de weergave of het plaatsen van het uiteinde van STM over de molecules bij biases boven ±0.35 eV veroorzaakte hen om tussen hun drie verre richtlijnen te schakelen. Met isotopische etiketteringsexperimenten konden wij aantonen dat het mechanisme voor deze elektrisch-veroorzaakte omwenteling a.c. - de rek is van H die aan de omwenteling van de molecule rot4,5.

Terwijl deze studies van aard meestal fundamenteel zijn, hebben zij grote stappen voorwaarts voor het gebied van moleculaire rotoren gemaakt. Vijftig jaar geleden drukte Richard Feynman zijn dromen uit om de miniaturisatie van nuttige machines te zien. Vandaag, terwijl wij de hulpmiddelen hebben om veel van deze systemen te bestuderen, hebben wij nog de verbeelding nodig die Feynman in zijn beroemd adres toonde om alle potentieel voor het gebruik van nanomachines over elk gebied van wetenschap en techniek te ontsluiten.

Terwijl deze studie en anderen als het de „swallowable chirurgen“ van Feynman op de planken in geen opslag hebben gezet, beginnen wij (de wetenschappelijke onderzoekgemeenschap) enkel de noodzakelijke fundamentele wetenschap naar het bereiken van deze doelstellingen te begrijpen. Onze studies blijven op het gebied van moleculaire rotoren met chiral moleculaire rotoren5,6 en de invloeden van chiral uiteinden van de aftastensonde op hun omwenteling het nut van deze klasse van enige moleculerotoren verder diversifiëren6,7.


Verwijzingen

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, E.G.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, E.G.H.J. Phys. Chem. C (2010) In Pers.
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, E.G.H. Submitted aan Phys. Toer Lett. (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Charlie Sykes (de Universiteit van Bosjes)

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

Last Update: 14. June 2013 04:02

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit