Molekyler bevæger sig hurtigere på et ujævnt terræn

ruhed, tilstedeværelsen af ​​uregelmæssigheder på en overflade, er almindeligvis forbundet med langsommere bevægelser og klæbrighed. Dette gælder ved forskellige længdeskalaer:ved menneskelig størrelse (1 meter), det tager længere tid at gå ad en sti, der går op og ned, frem for at gå på en flad vej. På størrelse med mindre genstande (1/100 - 1/1000 meter), Italienerne bruger pastaformer med en ru overflade, f.eks. rigatoni, for at lave bedre klæbende overflader til tomatsaucen og osten. Indtil nu, imidlertid, intet eksperiment var i stand til at teste, om molekylernes opførsel virkelig følger den samme tendens, der er observeret på menneskelig skala.

Nu, skriver ind Fysiske anmeldelsesbreve , Cristian Rodriguez-Tinoco og et team fra Université libre de Bruxelles' (ULB) Det Naturvidenskabelige Fakultet ledet af Simone Napolitano viser, at store molekyler faktisk bevæger sig hurtigere i nærheden af ​​mere ru overflader på nanometrisk skala. Deres eksperimenter viser tydeligt, at den almindelige tro på, at overfladeuregelmæssigheder gør det muligt for molekyler at holde bedre fast på en overflade, er faktisk forkert. Når størrelsen af ​​overfladens ruhed, det er den gennemsnitlige afstand mellem de små bakker og dale på overfladen af ​​et materiale, reduceres til få nanometer (1 nm =en milliardtedel af en meter), molekyler af P4ClS, en type polymer, begynde at bevæge sig hurtigere.

Det er ikke let at detektere molekylær bevægelse:molekyler bevæger sig hurtigt (op til 1 million eller flere bevægelser pr. sekund), og deres forskydninger er for små til at kunne observeres med mikroskop. At udføre sådanne eksperimenter på en ru overflade er endnu mere kompliceret, på grund af dens ujævne karakter og vanskelighederne med at justere størrelsen og fordelingen af ​​overfladeujævnhederne. ULB-teamet har været i stand til at danne en ru overflade på aluminium ved at fordampe metallet på en kontrolleret måde. For at måle, hvor hurtigt molekyler bevæger sig, forskerne har anvendt svage elektriske felter og registreret, hvor hurtigt molekylerne reagerer på stimulus.

Overraskende nok, holdet har bemærket, at molekyler, der er til stede i nærheden af ​​et ru substrat, opfører sig, som om de var omgivet af færre naboer, hvilket forklarer, hvorfor de accelererer i stedet for at bremse. Denne tendens er uenig med forudsigelserne af computersimuleringer, som foreslår, at molekyler bevæger sig langsommere nær et ujævnt område. I modsætning til antagelserne om simuleringer, polymermolekyler hviler ikke i nærheden af ​​ru substrat. På grund af den måde, hvorpå disse molekyler har tendens til at arrangere sig i rummet, de foretrækker at bevæge sig væk fra skævhederne. De få molekyler, der er til stede nær ujævnheder, danner mindre kontakt med væggen, kan nyde mere gratis lydstyrke og, følgelig, de bevæger sig hurtigere.

Ved at dele deres resultater med en gruppe teoretikere ved Dartmouth College (USA) ledet af Jane Lipson, ULB-teamet har været i stand til at finde en stærk sammenhæng mellem den måde, bakker og dale er organiseret på en ru overflade, og hvordan molekyler bevæger sig. Teoretikerne har vist, at en meget lille ændring i det frie volumen omkring et molekyle inducerer et enormt løft i mobiliteten, og forudsigelserne af deres beregninger er i fuld overensstemmelse med eksperimenterne.

Dette papir viser, at den nuværende måde, vi tænker grænseflader på, ikke er gyldig. Denne nye molekylære tendens, der er observeret, har således en enorm indflydelse på det grundlæggende videnskabsniveau. ULB-teamets arbejde kunne udnyttes på et stort antal applikationer. I næsten et årti, flere forskergrupper har vist, at egenskaberne ved mange tynde belægninger – såsom flow, evnen til at tilbageholde eller afvise vand, hastigheden af ​​dannelsen af ​​krystaller - afhænger af antallet af kontakter mellem en film og dens understøttende substrat. Indtil nu, for at ændre dette tal var det nødvendigt at ændre typen af ​​molekyler ved grænsefladen, ofte involveret komplekse kemiske reaktioner. Disse resultater viser, at det er muligt at skræddersy ydeevnen af ​​nanomaterialer ved blot at ændre overfladens ruhed. Denne metode, derfor, gør det muligt at kontrollere et polymerlag uden at røre det, som ved at bruge en fjernbetjening!