Поворачивая Молекулы в Моторы

Профессором Чарли Sykes

Профессор Чарли Sykes, Исследовательская Группа Sykes, Tufts Университет
Соответствуя автор: charles.sykes@tufts.edu

Пока молекулярные машины управляемые химикатом, светом или тепловыми энергиями можно найти повсеместно в природа, меньший прогресс был сделан к создавать синтетические двойники. Зазор между природой и нанотехнологией остает должным к лимитированному глубокому пониманию перехода энергии к механически движению на nanoscale.

Понимать и срабатывать вращение индивидуальных молекул на поверхностях критический шаг к развитию приборов nanoscale как жидкие насосы, датчики, линии задержки, и применения signaling микроволны. Недавно новая, стабилизированная и робастная система молекулярных роторов состоя из молекул thioether (RSR) прыгает к поверхностям металла предлагала метод с которым изучить вращение индивидуальных молекул как функция температуры, молекулярной химии, близости соседских молекул и электрического течения.

Наши изучения инициала использовали сульфид простого, симметричного thioether дибутиловый. Эти молекулы адсорбируют к поверхностям металла через центральный атом серы и вращение алкиловых кабелей происходит вокруг центрального скрепления S-Металла. Эти молекулы кажутся шестиугольными по мере того как они поворачивают должное к суперпозиции 3 соответствующих ориентаций по отношению к шестиугольн-упакованной поверхности ниже.

Вращение этих молекул на 80 K происходит более быстро чем масштаб времени воображения микроскопии прокладывать тоннель (STM) скеннирования (~2 минут/изображения), поэтому не было возможно decouple перекрынные ориентации на этой температуре. По охлаждать систему более далее (до 5 K) было возможно наблюдать одиночными дибутиловыми молекулами сульфида в статических положениях, по мере того как их вращение было остановлено.

Изображение 3 молекулярных роторов, как раз 1 нанометр STM широко, закручивающ на над 1.000.000 времена в секунду нагрето к температуре 78 Кельвин (- 320 F).

Низкотемпературный STM позволил измерению вращения дибутиловых молекул сульфида как функция температуры и квантификации как напористого барьера, так и степенного фактора для их движения. В этих измерениях цепь обратной связи (которая нормально использована для модуляции высоты подсказки STM поддерживать течение прокладывать тоннель константы) повернута и течение прокладывать тоннель проконтролирована по отношению к времени (I против t). Путем измерять вращательный тариф как температура увеличивает, оно возможна для того чтобы создать графики Arrhenius более далее понять вращательный energetics индивидуальных молекул.

Для того чтобы понять взаимодействие между алкиловыми кабелями ротора и поверхностью мы изучили вращение молекул thioether как функция длины цепи. Были изучены сульфиды Этанных, диэтиловых, дибутиловых и dihexyl, и было найдено что все роторы за исключением этанного сульфида были статическими на K. 7. Каждый из молекулярного вида после этого было нагрето до тех пор пока они заметно не вращает в пределах изображений STM.

Интересно, был найдены, что был термальный натиск к вращению почти идентичен для изученных молекул thioether с алкиловыми кабелями 2 углеродов или больше. Предложено что это плато в термальном натиске было должно к взаимодействию между степенями свободы в алкиловом кабеле против длины связи S-Металла, которая была поддержана последующими вычислениями молекулярной динамики1,2.

Не Похож На более длинние алкил-прикованные thioethers, были увидены, что вращали этанные молекулы сульфида слишком быстро для того чтобы измерить на 7 K. Экспириментально изучения показали очень низкий барьер к вращению, как этанный сульфид >10 вращанное молекулами3 Hz на K. 5 Более далее для того чтобы понять вращение этой молекулы, изучения DFT были использованы для того чтобы высчитать вращательный барьер. Также, используя теоретические методы место адсорбцией минимальной энергии было решительно и механизм вращения был разъяснен. Эти теоретические результаты показывают что вращение малой, простой молекулы фактически довольно сложно; по мере того как группы в составе3 CH этанный сульфид вращают вокруг скрепления Au-S, центральный атом S precesses вокруг поверхностного атома Au2.

Изображения STM показывая как закручивая молекулярный ротор может «быть заторможен» физически двигать его к цепи статических молекул.

Через серию манипуляции одиночн-молекулы экспериментирует, мы механически переключали вращение дальше и реверзибельн путем двигать молекулы к или далеко от одному другое. Если 2 ротора нажаты близко совместно, то они останавливают вращать должный к привлекательности фургона der Waals между алкиловыми цепями. Одна из главных целей для поля молекулярных роторов создает приказанные блоки с которыми изучить распространение вращательной энергии.

Наше механически выключение дибутиловых молекул сульфида демонстрирует что будет сложное взаимодействие между sterics и электростатикой которое посредничают вращательное соединение соседских молекул. К этому концу, мы создавали приказанные 2D блоки дибутиловых роторов сульфида на сплаве поверхности Ag/Cu (111). Этот сплав формирует очень регулярн шестиугольный блок hcp и штабелированных fcc атомов, и позволяет роторам thioether точно бытьсобранным, с дистанционированием 2,6 nm3,4.

Пока наши предыдущие изучения показали что небольшие количества тепловой энергии способны наводить вращение, термодинамика диктует что тепловую энергию самостоятельно нельзя использовать для того чтобы выполнить полезную работу в отсутствии температурного градиента. Поэтому, для молекул для того чтобы встретить их полную мощность как компоненты в молекулярных машинах, методы для соединять их к внешним источникам энергии которые выборочно возбуждают пожеланное жестикулируют необходимо изобрести.

К этому концу, мы изучали используя электрическое течение для того чтобы повернуть индивидуальные дибутиловые молекулы сульфида на команде. Для этих изучений источник энергии поставлен через электроны высокой энергии от подсказки STM. Было найдено что на температурах под 8 K молекулы были статическими и могли быть стабилизированно imaged на много часов на напряжениях тока прокладывать тоннель более менее чем eV ±0.35. Однако, или воображение или располагать подсказку STM над молекулами на смещения над eV ±0.35 причинили их переключить между их 3 дистантными ориентациями. С изотопными обозначая экспериментами мы могли показать что механизм для этого электрическ-наведенного вращения A.C. - простирание H что распадается к вращению молекулы4,5.

Пока эти изучения главным образом основные в природе, они сделали большие шаги передним для поля молекулярных роторов. 50 лет тому назад Ричарда Feynman выразил его сновидения для того чтобы увидеть миниатюризацию полезных машин. Сегодня, пока мы имеем инструменты для того чтобы изучить много из этих систем, нам все еще нужно воображение которому Feynman показало в его известном адресе для того чтобы осуществить весь потенциал для пользы nanomachines через каждое поле науки и инженерства.

Пока это изучение и другие как оно не клали хирургов Feynman «swallowable» на полки в любые магазины, мы (научное общество научного исследования) как раз начинаем понимать необходимую основную науку к достигать этих целей. Наши изучения продолжают в поле молекулярных роторов с хиральными молекулярными роторами5,6 и влияниях хиральных подсказок зонда скеннирования на их вращении более далее разнообразить общее назначение этого типа одиночных роторов молекулы6,7.


Справки

1. A.E. Baber. et al. ACS Nano 2, 2385-2391 (2008).
2. Tierney, L.H. et al. J. Phys. Chem. C 113, 10913-10920 (2009).
3. Tierney, L.H. et al. J. Phys. Chem. C 114, 3152-3155 (2010).
4. Bellisario, O.D.; Baber, A.E.; Tierney, L.H.; Sykes, E.C.H.J. Phys. Chem C 113, 5895-5898 (2009).
5. Tierney, L.H. et al. Chem. Eur. J. 15, 9678-9681 (2009).
6. Tierney, L.H.; Хан, W.J.; Jewell, D.A.; Iski, E.V.; Baber, A.E.; Sholl, D.S.; Sykes, E.C.H.J. Phys. Chem. C (2010) В Давлении.
7. Tierney, L.H.; Jewell, D.A.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, E.C.H. Представлять к Phys. Rev. Lett. (2010).

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Чарли Sykes (Университет Вихоров)

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

Last Update: 14. June 2013 04:40

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