Løsning af enkeltmolekylmobilitet

Nanoteknologer samler indviklede nanodele, såsom computerchips, molekyle for molekyle ved hjælp af 'bottom-up' teknikker, der afspejler naturen. Én fremgangsmåde kører molekyler langs overflader til nye og funktionelle arrangementer ved hjælp af elektroner fra et scanningstunnelmikroskop (STM). Imidlertid, fordi energioverførsel mellem atomspidsen og overfladekemikaliet involverer mange komplekse interaktioner, møjsommelige anstrengelser er i øjeblikket nødvendige for at forstå selv de simpleste reaktioner.

Resultater fra et nyt teoretisk og eksperimentelt studie, imidlertid, kan snart give ikke-specialister mulighed for nemt at konstruere molekylære enheder. Kenta Motobayashi og Yousoo Kim fra RIKEN Advanced Science Institute i Wako og deres kolleger fra RIKEN og japanske universiteter har udviklet en matematisk formel, der beskriver, hvordan STM-inducerede molekylære vibrationer kobles sammen med dynamiske bevægelser på overflader – hvilket muliggør præcis beregning af energien og antallet af elektroner, der er nødvendige for at igangsætte enkelt molekylebevægelser.

Når videnskabsmænd bruger en STM til at udføre en ligetil molekylær bevægelse - f.eks. gør carbonmonoxid (CO) forbindelser til at 'hoppe' på palladiumoverflader - de ser, at brøkdelen af ​​vellykkede bevægelser afhænger meget af den påførte spænding. For CO, dette er fordi at hoppe fra et overfladested til et andet kræver, at en tunnelelektron initierer en specifik strækningsvibration. I spændingsområdet svarende til denne vibrationsenergi, CO -hopping kan stige eksponentielt, giver anledning til såkaldte 'actionspektre':bevægelseskurver giver kontra spænding med former, der er karakteristiske for bestemte overfladereaktioner.

Motobayashi, Kim og kolleger forsøgte at afdække de mikroskopiske mekanismer bag STM-stimuleret diffusion ved at foreslå en formel, der relaterer bevægelsesudbytter til den energioverførselseffektivitet, der er nødvendig for at ophidse reaktionsudløsende vibrationer, samtidig med at der tages højde for termiske interaktioner. Montering af CO -actionspektre til denne formel afslørede de nøjagtige størrelser af kritiske reaktionsegenskaber, ligesom vibrationsenergier og hastighedskonstanter, fordi spektralkurverne var meget følsomme over for en lille ændring af tilpasningsparametrene.

Desuden, holdets nye ligning viste sig alsidig nok til at analysere de mere komplekse bevægelser af buten (C ₄ H ₈ ) molekyler på palladium, en proces, der involverer flere excitationer. Analyse af butenhandlingsspektrene med formlen viste tilstedeværelsen af ​​tre forskellige vibrationer og muliggjorde beregning af reaktionsrækkefølgen - en grundlæggende kemisk egenskab, der identificerer antallet af tunnelelektroner, der er nødvendige for at starte overfladebevægelse.

Ifølge Motobayashi, de overraskende evner ved denne enkle metode bør udvide bottom-up nanoteknologipraksis. "STM-baseret aktionsspektroskopi, som præcist kan identificere kemiske arter takket være vores spektrale beslag, lover at bidrage meget til teknikken til sammensætning af molekylære enheder, ”Fastslår han.