Neutroner undersøger Einstein-diffusion for at støtte håb om en kulstof-nanoteknologirevolution

Interessen for kulstof og dets anvendelse i nye teknologier er meget stor lige nu. En masse kommerciel og akademisk forskning og udvikling går til at lave nanometerstore systemer ud af det. I de senere år har disse typer af kulstofbaserede systemer givet en række potentielle kommercielt værdifulde egenskaber, som inkluderer supersmøreevne, med ubetydelig friktion mellem grafemark og grafitoverflader, mens super-diffusion også blev observeret i simuleringer af guld nano-klynger adsorberet på grafen.

Et særligt lovende område er udviklingen af ​​kulstofbaserede syntetiske molekylære motorer, menneskeskabte ækvivalenter af proteinbaserede motorer fundet i kroppen, der driver kritiske processer såsom intracellulær handel og celledeling. I øjeblikket begrænset til laboratoriet, den potentielle bredere anvendelse af disse motorer i molekylær skala er i dag begrænset af en manglende forståelse af overfladefysikken og kemien af ​​kulstofsystemer på mikroskalaen. Dette holder fremskridt på nøgledele af motoren tilbage, for eksempel ved udvikling af overflader, der glider forbi hinanden uden modstand eller slid.

"På nuværende tidspunkt udføres meget af forskningen og udviklingen i disse kulstofsystemer via eksperimentel kemi på en trial and error basis snarere end ved at konstruere disse kulstofsystemer ud fra de første principper, siger ILL-forsker Dr. Peter Fouquet, der ledede undersøgelsen. "Denne situation har været svær at løse, da det analyseniveau, der kræves for at lave nøjagtige forudsigelser af systemegenskaber og dynamik, er ret krævende, og som følge heraf er mange af litteraturens mekanismer ikke korrekte."

For at forbedre vores forståelse af disse systemer, Dr. Fouquet og hans team har arbejdet på et relativt simpelt kulstofsystem - benzen - for at undersøge dets bevægelse på en overflade. I 2009, Dr. Fouquet, sammen med kolleger fra Cambridge University udgivet et papir, der viser, at benzens bevægelse kan beskrives ved en slags overfladebevægelse, først identificeret af Albert Einstein, kaldet Brownsk diffusion. Det vedrører den tilfældige bevægelse af partikler suspenderet i en væske, væske eller en gas som følge af deres kollision med de hurtige atomer eller molekyler i gassen eller væsken.

I deres seneste undersøgelse undersøgte Dr. Fouquet og hans team mere detaljeret oprindelsen af ​​denne bevægelse, og hvordan den påvirkes af at ændre systemtemperaturen mellem 60K til over 140K, samt ændringer i molekylær densitet. Til at udføre deres analyse brugte Dr. Fouquet og hans kolleger TOF-spektrometeret IN6 og NSE-spektrometeret IN11 ved Institut Laue-Langevin (ILL) såvel som af backspredningsspektrometeret OSIRIS ved ISIS-neutronkilden, som i kombination tillod holdet at skabe en detaljeret 2D-model af systemet. "Fordelen ved neutronspredning er, at du får information om energiudvekslinger og tidsprofiler, samtidig med at du får information om længdeskalaen, hvor dette sker, " siger Dr Fouquet.

I modsætning til hvad der blev set før analysen afslørede, at diffusionshastigheden faldt væsentligt, når vi øgede partiklernes tæthed - hvilket viser, at diffusionen var næsten som i en teoretisk ideel væske, hvor opbremsning kun sker ved kollision mellem partikler. Holdet fandt også det første bevis på en konvertering til super-diffusiv adfærd (diffusion med ubetydelig friktion) ved de laveste benzendensiteter.

"Dette arbejde har givet os ny indsigt i diffusionens natur og friktionens oprindelse", siger Dr. Fouquet. "Den nye, mere nøjagtig modellering af disse processer vil hjælpe søgningen efter lavfriktionsbyggesten i nanoteknologi, inklusive dem, der er lavet af kulstof. Fra et mere fundamentalt fysiksynspunkt, hvad vi har skabt her, et næsten perfekt bruningsgas 2D-system, er også et genialt testsystem til at undersøge den simple fysik af kolliderende partikler."