Maskinteknik på molekylært niveau:Selvmontering af nanorotorer (m/ video)

Tyske forskere fra Technische Universitaet Muenchen har formået at dirigere selvsamlingen af ​​stavformede molekyler til rotorer med kun få nanometer i størrelse. De bittesmå systemer tjener undersøgelsen af ​​kræfter, der virker på molekyler på overflader og i burlignende strukturer. Deres resultater offentliggøres i det aktuelle online -nummer af Procedurer fra National Academy of Sciences .

I nanoworld er mange ting anderledes. Forskere begyndte først for nylig at afsløre og udnytte de underliggende love og principper. Et team tilknyttet professor Johannes Barth fra fysikafdelingen ved TU Muenchen er nu lykkedes med at fange stangformede molekyler i et todimensionalt netværk på en sådan måde, at de autonomt danner små rotorer, der vender i deres bikage-lignende bur.

Naturen selv er rollemodellen for sådanne selvorganiserende systemer. Sådan bringer proteiner reaktanter så tæt på hinanden, at reaktioner kan finde sted - reaktioner, der kun er mulige i meget tæt nærhed. Disse virkninger tages i brug i katalysatorer:overfladereaktanter finder vej til hinanden på overfladen af ​​disse facilitatorer. Imidlertid, den eftertragtede drøm om at bruge selvorganiseringseffekter på en sådan måde, at nanomaskiner samler sig selv, er stadig en ting i fremtiden.

Rotorerne udviklet i Garching er et vigtigt skridt i denne retning. Først, fysikerne opbyggede et omfattende nanogitter ved at lade koboltatomer og stavformede molekyler af sexiphenyl-dicarbonitril reagere med hinanden på en sølvoverflade. Dette resulterer i et bikagelignende gitter med ekstrem regelmæssighed med forbløffende stabilitet. Ligesom grafen, som dens opdagere blev tildelt Nobelprisen for kun få uger siden, dette gitter er nøjagtigt et atom tykt.

Da forskerne tilføjede yderligere molekylære byggesten, stængerne samledes spontant, typisk i grupper på tre i en bikage -celle, mens nabocellerne forblev tomme. De chummy molekyler må have haft en grund til at organisere sig i trekanter. Under et scannende tunnelmikroskop kunne forskerne genkende hvorfor. De tre molekyler orienterede sig på en sådan måde, at nitrogenenderne hver især stod over for et phenylring-hydrogenatom. Dette trebladede rotorarrangement er så energisk fordelagtigt, at molekylerne opretholder denne struktur, selv når termisk energi driver den til rotation.

Fordi bikagecellen ikke er rund, men sekskantet, der er to forskellige positioner for rotorerne, der kan skelnes som følge af interaktionerne mellem de ydre nitrogenatomer og cellevægens hydrogenatomer. Desuden, de tre molekyler arrangeres med uret og mod uret. I forsøg med forskellige omhyggeligt kontrollerede temperaturer var fysikerne i stand til at "fryse" alle fire stater og undersøge dem nøje. De kunne således bestemme energien af ​​disse tærskler ud fra den temperatur, hvormed rotationen genoptoges.

"Vi håber, at vi fremover vil kunne udvide disse enkle mekaniske modeller til optisk eller elektronisk omskiftning, "siger professor Johannes Barth." Vi kan angive en bestemt cellestørrelse, vi kan specifikt bringe yderligere molekyler ind og studere deres interaktion med overfladen og cellevæggen. Disse selvorganiserende strukturer rummer et enormt potentiale. "