Moléculas de Giro nos Motores

pelo Professor Charlie Sykes

O Professor Charlie Sykes, Grupo de Investigação de Sykes, Adorna a Universidade
Autor Correspondente: charles.sykes@tufts.edu

Quando as máquinas moleculars conduzidas pelo produto químico, pela luz ou por energias térmicas puderem ser encontradas durante todo a natureza, pouco progresso estêve feito para a criação de contrapartes sintéticas. A diferença entre a natureza e a nanotecnologia permanece devido à compreensão fundamental limitada de transferência de energia ao movimento mecânico no nanoscale.

Compreender e atuar a rotação de moléculas individuais em superfícies são uma etapa crucial para a revelação de dispositivos do nanoscale tais como as bombas, os sensores, as linha de atraso, e as aplicações fluidos da sinalização da microonda. Um sistema Recentemente novo, estável e robusto de rotores moleculars que consistem nas moléculas do tioéter (RSR) limita às superfícies de metal ofereceu um método com que para estudar a rotação de moléculas individuais em função da temperatura, da química molecular, da proximidade de moléculas vizinhas e da corrente elétrica.

Nossos estudos da inicial usaram o sulfureto dibutyl do tioéter simples, simétrico. Estas moléculas fixam às superfícies de metal através do átomo central do enxofre e a rotação das caudas do alkyl ocorre em torno da ligação central do S-Metal. Estas moléculas parecem sextavadas enquanto giram devido à superposição de três orientações equivalentes no que diz respeito à superfície sextavado-embalada abaixo.

A Rotação destas moléculas em 80 K ocorre mais rapidamente do que a tempo-escala da imagem lactente da microscopia da escavação de um túnel (STM) da exploração (~2 minutos/imagem), assim que não era possível decuplar as orientações sobrepor nesta temperatura. Em Cima de refrigerar o sistema mais (a 5 K) era possível observar as únicas moléculas dibutyl do sulfureto em posições estáticas, porque sua rotação foi parada.

Imagem de três rotores moleculars, apenas 1 nanômetro de STM de largura, girando sobre em 1.000.000 por segundo das épocas quando caloroso a uma temperatura de 78 Kelvin (- 320 F).

STM De Baixa Temperatura permitiu a medida da rotação das moléculas dibutyl do sulfureto em função da temperatura e da quantificação da barreira energética e do factor pre-exponencial para seu movimento. Nestas medidas o laço de feedback (que é usado normalmente para modular a altura de ponta de STM a fim manter uma corrente da escavação de um túnel da constante) é desligado e a corrente da escavação de um túnel é monitorado no que diz respeito ao tempo (I contra t). Medindo a taxa rotatória como a temperatura é aumentado, ele é possível para criar lotes de Arrhenius compreender mais a energética rotatória das moléculas individuais.

Para compreender a interacção entre as caudas do alkyl do rotor e a superfície nós estudamos a rotação de moléculas do tioéter em função do comprimento chain. Os sulfuretos Dimethyl, diethyl, dibutyl e do dihexyl foram estudados, e encontrou-se que todos os rotores exceto o sulfureto dimethyl eram estáticos em 7 K. Cada Um da espécie molecular foi então caloroso até que giraram visivelmente dentro das imagens de STM.

Interessante, o início térmico à rotação foi encontrado para ser quase idêntico para moléculas estudadas do tioéter com as caudas do alkyl de dois carbonos ou mais. Propor que este platô no início térmico seja devido a uma interacção entre graus de liberdade na cauda do alkyl contra o comprimento bond do S-Metal, que foi apoiado por cálculos subseqüentes da dinâmica molecular1,2.

Ao Contrário de uns tioéteres alkyl-acorrentados mais longos, as moléculas dimethyl do sulfureto foram vistas para girar demasiado rapidamente para medir em 7 K. Experimental que os estudos mostraram uma barreira muito baixa à rotação, como o sulfureto dimethyl >10 girado moléculas3 Hertz em 5 K.A fim compreender mais a rotação desta molécula, estudos de DFT foram usadas para calcular a barreira rotatória. Também, usando métodos teóricos o local da adsorção da energia mínima era determinado e o mecanismo da rotação foi explicado. Estes resultados teóricos indicam que a rotação de uma molécula pequena, simples é realmente um pouco complexa; enquanto os grupos3 do CH de sulfureto dimethyl giram em torno da ligação do Au-s, o átomo central de S precesses em torno de um átomo de superfície do Au2.

Imagens de STM que mostram como um rotor molecular de giro pode “ser travado” fisicamente movendo o para uma corrente de moléculas estáticas.

Com uma série de manipulação da único-molécula experimenta, nós desligamos mecanicamente a rotação sobre e reversìvel movendo as moléculas para ou longe de uma outra. Se dois rotores são empurrados perto junto, param o giro devido à atracção de camionete der Waals entre as correntes do alkyl. Um dos objetivos principais para o campo dos rotores moleculars está criando as disposições pedidas com que para estudar a propagação da energia rotatória.

Nossa desactivação mecânica de moléculas dibutyl do sulfureto demonstra que haverá uma interacção complexa entre o sterics e a electrostática que negociarão o acoplamento rotatório de moléculas vizinhas. Para esta extremidade, nós criamos 2D disposições pedidas de rotores dibutyl do sulfureto ligas da superfície de Ag/Cu (em umas 111). Esta liga forma uma disposição sextavada muito regular de hcp e de átomos empilhados fcc, e permite que os rotores do tioéter auto-sejam montados precisamente, com um afastamento de 2,6 nanômetro3,4.

Quando nossos estudos precedentes revelaram que as pequenas quantidades de energia térmica são capazes de induzir a rotação, o termodinâmica dita que a energia térmica apenas não pode ser usada para executar o trabalho útil na ausência de um inclinação de temperatura. Conseqüentemente, para que as moléculas encontrem sua capacidade plena como componentes em máquinas moleculars, os métodos para acoplá-las às fontes de energia externos que excitam selectivamente desejado fazem sinal devem ser planejados.

Com tal fim, nós estudamos usando uma corrente elétrica para girar moléculas dibutyl individuais do sulfureto no comando. Para estes estudos a fonte de energia é fornecida através dos elétrons do de alta energia da ponta de STM. Encontrou-se que em temperaturas abaixo de 8 K as moléculas eram estáticas e podiam ser estàvel imaged por muitas horas em tensões da escavação de um túnel menos do que o eV ±0.35. Contudo, a imagem lactente ou o posicionamento da ponta de STM sobre as moléculas em polarizações acima do eV ±0.35 fizeram com que comutassem entre suas três orientações distantes. Com experiências de rotulagem isótopas nós podíamos mostrar que o mecanismo para esta rotação elétrico-induzida é Corrente alternada - estiramento de H qual deteriora à rotação da molécula4,5.

Quando estes estudos forem na maior parte fundamentais na natureza, fizeram grandes passos dianteiros para o campo dos rotores moleculars. Cinqüênta anos há de Richard Feynman expressou seus sonhos para ver a miniaturização de máquinas úteis. Hoje, quando nós tivermos as ferramentas para estudar muitos destes sistemas, nós ainda precisamos a imaginação que Feynman indicou em seu endereço famoso para realizar todo o potencial para o uso dos nanomachines através de cada campo da ciência e da engenharia.

Quando este estudo e outro como ele não puserem os cirurgiões “swallowable” de Feynman sobre as prateleiras em nenhuma lojas, nós (a comunidade de investigação científica) apenas estamos começando a compreender a ciência fundamental necessária para a realização destes objetivos. Nossos estudos estão continuando no campo dos rotores moleculars com os rotores moleculars chiral5,6 e nas influências de pontas chiral da ponta de prova da exploração em sua rotação a fim diversificar mais o serviço público desta classe de únicos rotores da molécula6,7.


Referências

1. Baber A.E. e outros ACS 2 Nano, 2385-2391 (2008).
2. Tierney, H.L. e outros J. Phys. Chem. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, H.L. e outros J. Phys. Chem. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, D.O.; Baber, A.E.; Tierney, H.L.; Sykes, E.C.H.J. Phys. Chem C 113, 5895-5898 (2009).
5. Tierney, H.L. e outros 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.C.H.J. Phys. Chem. C (2010) na Imprensa.
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, E.C.H. Submissão a Phys. Rev. Lett. (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Charlie Sykes (Universidade dos Topetes)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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