啟用的分子到馬達裡

由查理 Sykes 教授

查理 Sykes, Sykes 研究小組教授,簇生大學
對應的作者: charles.sykes@tufts.edu

當化學製品、光或者熱能驅動的分子設備可以被找到在本質中時,一點進展取得了往創建綜合副本。 本質和納米技術之間的空白依然是由於對能源調用的有限根本瞭解到機械行動在 nanoscale。

瞭解和開動各自的分子的循環在表面的是往 nanoscale 設備的發展的一個關鍵的步驟例如可變的泵、傳感器、延遲線和微波信號應用。 最近包括硫醚分子 (RSR) 的分子電動子一個新,穩定和穩健系統限制對金屬表面提供學習各自的分子循環作為溫度、分子相鄰的分子化學、接近度和電流功能的方法。

我們的首字母研究使用了簡單,對稱的硫醚二丁基的硫化物。 這些分子吸附對金屬表面通過中央硫磺原子,并且烷基尾標的循環在中央 S 金屬債券附近發生。 當他們轉動由於三個等同的取向的疊置關於下面,六角充滿表面這些分子看上去六角。

這些分子的循環在 80 K 比時間表尺度快速地發生掃描挖洞顯微學 (STM)想像 (~2 分鐘/圖像),因此分離被疊加的取向在此溫度是不可能的。 當進一步冷卻系統後 (到 5 K) 觀察在靜止姿勢的唯一二丁基的硫化物分子是可能的,因為他們的循環止步不前了。

三個分子電動子的 STM 圖像, 1 毫微米寬,空轉在 1,000,000 次期間每秒,當加熱對溫度 78 凱爾文 (- 320 F)。

低溫 STM 允許二丁基的硫化物分子的循環的評定作為溫度和精力充沛的障礙和前指數系數的量化功能他們的行動的。 在這些評定通常用於調整 STM 技巧高度為了維護常數挖洞當前) 的反饋環路 (被關閉和挖洞當前監控關於時間 (It)。 通過評定旋轉的費率當這個溫度增加,它是可能創建 Arrhenius 劇情進一步瞭解各自的分子的旋轉的能學。

要瞭解電動子烷基尾標和表面之間的交往我們學習硫醚分子的循環作為鏈長功能。 二甲基,二乙基,二丁基和 dihexyl 硫化物被學習了,并且發現所有除了二甲基硫化物的電動子是靜態的在 7 K。 然後加熱了其中每一個這個分子種類,直到他們在 STM 圖像內明顯地轉動。

有趣地,發現對循環的熱量起始幾乎完全相同的為與二碳更烷基尾標的被學習的硫醚分子或。 建議在熱量起始的此高原歸結於在自由程度的互相作用在烷基尾標的之間與 S 金屬鋼筋錨著長度,隨後的分子動力學計算支持1,2

不同於更長的烷基被束縛的硫醚,二甲基硫化物分子被看見太迅速轉動評定在 7 K. 研究顯示一個非常低障礙對循環的 Experimental,作為二甲基硫化物分子被轉動的 >103 Hz 在 5 K. 為了進一步瞭解此分子的循環, DFT 研究使用計算這個旋轉的障礙。 並且,使用理論上的方法最低的能源吸附站點是確定的,并且循環結構被闡明了。 這些理論上的結果表明一個小,簡單的分子的循環實際上是相當複雜的; 當 CH3 組二甲基硫化物在澳大利亞S 債券附近轉動,中央 S 原子在一個表面澳大利亞原子附近進動2

顯示一個空轉的分子電動子如何的 STM 圖像可以 「通過實際移動它刹車」往靜態分子鏈子。

通過一系列的單一分子處理試驗,我們斷斷續續機械上切換了循環可逆通過移動分子朝或遠離互相。 如果二個電動子靠近被推進,他們終止轉動由於在烷基鏈子之間的 van der Waals 吸引力。 其中一個分子電動子的域的主要目標創建學習轉動能傳送的被定購的列陣。

我們的二丁基的硫化物分子的機械鈍化顯示出,將有在將斡旋相鄰的分子旋轉的聯結的 sterics 和靜電學之間的複雜互相作用。 往這個末端,我們創建了被定購的第 2 一些在 Ag/Cu (111) 表面合金的二丁基的硫化物電動子。 此合金形成非常正常六角一些 hcp 和 fcc 被堆積的原子,并且允許硫醚電動子自精密地彙編,與間隔 2.6 毫微米3,4

當我們的早先研究表示時少量熱能能够導致循環,熱力學指明單獨熱能不可能用於在沒有溫度差時進行有用的工作。 所以,為了分子能滿足他們的潛能作為在分子設備的要素的外部能源必須構想耦合的他們方法對選擇性地激發希望的行動。

為此,我們學習使用電流轉動在指令的各自的二丁基的硫化物分子。 對於這些研究能源通過高能電子被供應從 STM 技巧。 發現在溫度在 8 K 以下分子比 ±0.35 eV 是靜態的,并且可能穩定地是印象的在許多時數在挖洞電壓。 然而,想像或確定在分子的 STM 技巧在 ±0.35 eV 上的偏心造成他們切換在他們的三個遙遠的取向之間。 同位素標記的實驗我們能向顯示此電子誘發的循環的結構是 A.c. - H 舒展哪些腐朽對這個分子的循環4,5

當這些研究是主要根本的本質上時,他們使了不起的大步向前為分子電動子的域。 五十年前理查 Feynman 表示他的夢想發現有用的設備的小型化。 今天,而我們有學習的工具許多這些系統,我們仍然需要 Feynman 在他的著名地址顯示發揮所有潛在為對在科學和工程間的每個域的 nanomachines 的使用的想像力。

當此研究和其他像在架子上未把 Feynman 的 「可吞吃的外科醫生放」在任何存儲時,我們 (科學研究社區) 開始瞭解必要的根本科學往達到這些目標。 我們的研究在分子電動子的域有手性的分子電動子的和5,6 手性的掃描探測技巧的影響繼續對他們的循環為了進一步多樣化唯一分子電動子此選件類的實用程序6,7


參考

1. Baber A.E。 等 ACS 納諾 2, 2385-2391 (2008)。
2. Tierney, H.L. 等 J. Phys。 Chem。 C 113, 10913-10920 (2009)。
3. Tierney, H.L. 等 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. 等 Chem。 Eur. J. 15, 9678-9681 (2009)。
6. Tierney, H.L.; 韓, J.W.; Jewell, A.D.; Iski, E.V.; Baber, A.E.; Sholl, D.S.; Sykes, E.C.H.J. Phys。 Chem。 C (2010) 在新聞中。
7. Tierney, H.L.; Jewell, A.D.; Baber, A.E.; Iski, E.V.; Sykes, E.C.H. Submitted 的給 Phys。 Lett。 (2010)。

版權 AZoNano.com,查理 Sykes (一束大學) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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