Burning af molekyler tillader undersøgelse af ligevægtstermodynamik

Højtydende materialer til gaslagring, varmeisolatorer eller nanomaskiner har brug for en grundig forståelse af materialets adfærd ned til molekylært niveau. Termodynamik, som er blevet udviklet for to hundrede år siden for at øge effektiviteten af ​​dampmaskiner, observerer og gennemsyrer typisk et stort antal molekyler. Nu har et team af forskere udviklet en metode, at undersøge enkeltmolekylers ligevægtstermodynamik.

På jagten efter højtydende materialer til applikationer såsom gaslagring, varmeisolatorer eller dynamiske nanosystemer er det vigtigt at forstå materiens termiske adfærd ned til molekylært niveau. Klassisk termodynamik er gennemsnitlig over tid og over et stort antal molekyler. Inden for et tredimensionelt rum kan enkelte molekyler vedtage et næsten uendeligt antal tilstande, gør vurderingen af ​​de enkelte arter næsten umulig.

Nu har forskere fra Technische Universität München (TUM) og Linköping University (LIU) udviklet en metode, som gør det muligt at undersøge ligevægtstermodynamik af enkeltmolekyler med atomopløsning ved mærkbare temperaturer. Gennembrudsundersøgelsen er baseret på to søjler:en teknologi, der gør det muligt at bure molekyler inden for todimensionelle nanoporer og omfattende beregningsmodeller.

Fanget i to dimensioner

Ved formanden for Molecular Nanoscience and Chemical Physics of Interfaces på TU München, ledet af prof. dr. Johannes V. Barth, PD Dr. Florian Klappenberger udviklede metoden til at producere metal-organiske netværk af høj kvalitet på en sølvoverflade. Netværket danner nanoporer, der begrænser bevægelsesfriheden for adsorberede enkelte molekyler i to dimensioner. Ved hjælp af scanningstunnelmikroskopi var forskerne i stand til at spore deres bevægelser ved forskellige temperaturer med sub-nanometeropløsning.

Parallelt med forsøgene, forskerne arbejdede med sofistikerede computermodeller for at beskrive temperaturafhængigheden af ​​dynamikken i disse enkeltfangede molekyler. "Vi har anvendt state-of-the-art supercomputerberegninger for at forstå interaktioner og energilandskab, der bestemmer molekylernes bevægelse", siger Jonas Björk fra Linköpings universitet.

Ved at sammenligne eksperimentelle og modellerede data opdagede forskerne, at integralteorien under visse betingelser nærmer sig en simpel projektion af de molekylære positioner i rummet. Denne tilgang er central for statistisk mekanik, men har aldrig før været udfordret til at gengive et eksperiment, på grund af de praktisk talt uendelige molekylære positioner og energier, man skulle overveje uden nanoskalaindeslutning.

Analogi til biologi

"Det var ekstremt spændende at anvende todimensionelle netværk som en indespærringsstrategi for at reducere det tilgængelige konformationsrum i et enkelt molekyle, som en chaperone gør med et protein ", siger Dr. Carlos-Andres Palma, undersøgelsens hovedforfatter. "I analogi med biologi, en sådan form for indespærringsteknologi har potentiale til at etablere sensorer, nanomaskiner og muligvis logikker styret af og lavet af molekylære fordelinger. "

Anvende deres viden om karakteristiske ligevægtskonfigurationer, forskerne modulerede nanoporen omhyggeligt, hvilket får et enkelt molekyle til at skrive bogstaver i alfabetet som L, Jeg og U, bare ved at finjustere temperaturen.