Kørsel af bløde molekylære køretøjer på en metaloverflade

Bløde molekyler aflejret på metaloverflader blev drevet ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop (STM) uden mekanisk at trække eller skubbe dem, men ved at inducere uelastiske excitationer med tunnelstrømmen.

Inden for nanovidenskab, sammenlignet med stive molekyler, det er udfordrende at kontrollere bevægelsen af ​​bløde molekyler på grund af deres fleksibilitet. Især kun én del af bløde molekyler er egnet til at absorbere tunnelstrømsenergi, der skal bruges til at inducere bevægelse, og ikke konformationelle ændringer af molekylerne.

Et samarbejde ledet af Waka Nakanishi og Katsuhiko Ariga på WPI-MANA ​​og We-hyo Soe og Christian Joachim hos GNS og WPI-MANA ​​Satellite, CEMES-CNRS i Toulouse designet, syntetiseret og karakteriseret et konformationelt fleksibelt molekyle bestående af to binaphtyl-padler monteret på et simpelt phenylchassis. Vibrationstilstandene for de laterale skovle kan udnyttes til at inducere bevægelsen af ​​molekylet på en Au(111) overflade ved hjælp af STM uelastiske tunneleffekter. Molekylet har to forskellige ikke-plane konfigurationer i opløsning, som det bevarer, når det absorberes på overfladen. Imidlertid, på den metalliske overflade er det muligt at skifte molekyler, en ad gangen, til en flad konfiguration ved hjælp af en specifik STM mekanisk manipulationsprotokol. Den flade konfiguration er den mest interessante for dette arbejde, fordi kun flade molekyler kan kontrolleres på overfladen af ​​lokale STM-excitationer. Når de først antager denne konfiguration, molekylerne er rimelig stabile på overfladen.

Molekyler i den flade konfiguration blev karakteriseret for at bestemme pletterne, hvor tunnelelektroner skulle injiceres for at få dem til at bevæge sig på overfladen uden at skubbe dem mekanisk. Ja, afhængigt af det sted, hvor tunnelstrømmen kommer ind i molekylet, dette kan antage en ikke-plan konfiguration (forskellig fra den originale) i stedet for at flytte. Hvis strømmen påføres det rigtige sted, molekylet kan bevæge sig på en kontrolleret måde. Den eksperimentelle karakterisering af molekylerne blev suppleret med simuleringer af molekylær dynamik og densitets funktionelle teoriberegninger, som var med til at afdække molekylernes energi. I april 2017 et 'nanobilløb' fandt sted, hvor adskillige molekylære maskiner syntetiseret af grupper fra hele verden konkurrerede med det mål at tilbagelægge en bestemt afstand på en guldoverflade på mindst mulig tid, drevet af STM-tips. Molekylet præsenteret i dette papir er et af de køretøjer, der deltog i løbet.