Molekylært fængsel tvinger diatomiske indsatte til cellegulvet

Et team af forskere, herunder Carnegies Tim Strobel og Venkata Bhadram, rapporterer nu uventet kvanteadfærd fra brintmolekyler, H ₂ , fanget i små bure lavet af organiske molekyler, demonstrerer, at burets struktur påvirker adfærden for molekylet, der er fængslet inde i det.

En detaljeret forståelse af fysikken i individuelle atomer, der interagerer med hinanden på det mikroskopiske niveau, kan føre til opdagelsen af ​​nye nye fænomener, hjælpe med at guide syntesen af ​​nye materialer, og endda støtte fremtidig lægemiddeludvikling.

Men i atomskala, det klassiske, såkaldt Newtonian, fysikregler, du lærte i skolen, gælder ikke. I den ultra-lille arena, forskellige regler, styret af kvantemekanik, er nødvendige for at forstå interaktioner mellem atomer, hvor energi er diskret, eller ikke-kontinuerlig, og hvor position i sagens natur er usikker.

Forskergruppen-herunder Anibal Ramirez-Cuesta, Luke Daemen, og Yongqiang Cheng fra Oak Ridge National Laboratory, samt Timothy Jenkins og Craig Brown fra National Institute of Standards and Technology-brugte spektroskopiske værktøjer, inklusive det avancerede uelastiske neutronspektrometer kaldet VISION ved Spallation Neutron Source, at undersøge dynamikken på atomniveau i en særlig slags molekylær struktur kaldet et clathrat.

Clathrates består af en gitterstruktur, der danner bure, at fange andre typer molekyler inde, som et fængsel i molekylær skala. Den klathrat, teamet studerede, kaldet β-hydroquinon, bestod af bure fremstillet af organiske molekyler, der fælder H ₂ . Kun en enkelt H. ₂ molekyle er til stede i hvert bur, så kvanteadfærden af ​​de isolerede molekyler kunne undersøges i detaljer.

"Praktiske eksempler på isolerede kvantepåvirkede partikler, der er fanget inde i veldefinerede rum, giver mulighed for at sondere dynamik under forhold, der nærmer sig simuleringslignende perfektion, "Forklarede Strobel.

Forskergruppen var i stand til at observere, hvordan brintmolekylet raslede og roterede inde i buret. Overraskende, den observerede rotationsbevægelse var ulig den for H ₂ fanget i relaterede systemer, hvori molekyler kan rotere næsten frit i alle retninger.

"Den adfærd, vi observerede her, ligner H. ₂ molekyler, der klæber til en metaloverflade, " forklarede Strobel. "Det er første gang, denne adfærd, kendt af fysikere som en todimensionel hindret rotor, er blevet observeret for brint fanget i et molekylært clathrat."

Det viser sig, at den lokale struktur af klathratburet i høj grad påvirker dynamikken i H ₂ , forårsager en præference for rotation i to dimensioner på trods af at der ikke er nogen kemiske bindinger involveret. Ud over den grundlæggende indsigt, denne opdagelse kan have vigtige konsekvenser for designet af hydrogenlagermaterialer, der kan fælde H ₂ til energi- og transportapplikationer.