Konkurrerende kvanteinteraktioner gør det muligt for enkelte molekyler at rejse sig

Maskiner i nanoskala har mange anvendelser, herunder lægemiddellevering, enkeltatoms transistorteknologi eller hukommelseslagring. Maskineriet skal dog samles på nanoskala, hvilket er en betydelig udfordring for forskerne.

For nanoteknologiingeniører er det ultimative mål at være i stand til at samle funktionelt maskineri del for del på nanoskala. I den makroskopiske verden kan vi simpelthen få fat i genstande for at samle dem. Det er ikke umuligt at "gribe" enkelte molekyler længere, men deres kvantenatur gør deres reaktion på manipulation uforudsigelig, hvilket begrænser muligheden for at samle molekyler én efter én. Denne udsigt er nu et skridt tættere på virkeligheden, takket være en international indsats ledet af forskningscentret Jülich fra Helmholtz-samfundet i Tyskland, herunder forskere fra kemiafdelingen ved University of Warwick.

I papiret "The stabilization potential of a standing molecule," offentliggjort i dag, 10. november 2021 i tidsskriftet Science Advances , har et internationalt team af forskere været i stand til at afsløre den generiske stabiliseringsmekanisme af et enkelt stående molekyle, som kan bruges i det rationelle design og konstruktion af tredimensionelle molekylære enheder på overflader.

Scanning-probe-mikroskopet (SPM) har bragt visionen om fremstilling af molekylær skala tættere på virkeligheden, fordi det giver mulighed for at omarrangere atomer og molekyler på overflader og derved tillade skabelsen af ​​metastabile strukturer, der ikke dannes spontant. Ved at bruge SPM var Dr. Christian Wagner og hans team i stand til at interagere med et enkelt stående molekyle, perylentetracarboxylsyredianhydrid (PTCDA) på en overflade for at studere den termiske stabilitet og temperatur, ved hvilken molekylet ville holde op med at være stabilt og ville falde tilbage i sin naturlige tilstand, hvor det adsorberes fladt på overfladen. Denne temperatur ligger på -259,15 Celsius, kun 14 grader over det absolutte nulpunkt.

Kvantekemiske beregninger udført i samarbejde med Dr. Reinhard Maurer fra Institut for Kemi ved University of Warwick var i stand til at afsløre, at molekylets subtile stabilitet stammer fra konkurrencen mellem to stærke modvirkende kvantekræfter, nemlig den langtrækkende tiltrækning fra overfladen og den kortrækkende genopretningskraft, der opstår fra ankerpunktet mellem molekyle og overflade.

Dr. Reinhard Maurer fra Institut for Kemi ved University of Warwick kommenterer:"Balancen af ​​interaktioner, der forhindrer molekylet i at vælte, er meget subtil og en sand udfordring for vores kvantekemiske simuleringsmetoder. Udover at lære os om de grundlæggende mekanismer, der stabiliserer sådanne usædvanlige nanostrukturer, hjalp projektet os også med at vurdere og forbedre vores metoders muligheder."

Dr. Christian Wagner fra Peter Grünberg Institute for Quantum Nanoscience (PGI-3) ved Forskningscenter Jülich kommenterer, "For at gøre teknologisk brug af de fascinerende kvanteegenskaber af individuelle molekyler, er vi nødt til at finde den rigtige balance:De skal immobiliseres på en overflade, men uden at fiksere dem for stærkt, ellers ville de miste disse egenskaber. Stående molekyler er ideelle i den henseende. For at måle hvor stabile de faktisk er, var vi nødt til at stille dem op igen og igen med en skarp metalnål og tid hvor længe de overlevede ved forskellige temperaturer."

Nu hvor de interaktioner, der giver anledning til et stabilt stående molekyle, er kendt, kan fremtidig forskning arbejde hen imod at designe bedre molekyler og molekyle-overfladeforbindelser for at tune disse kvanteinteraktioner. Dette kan være med til at øge stabiliteten og den temperatur, ved hvilken molekyler kan omdannes til stående arrays mod brugbare forhold. Dette øger udsigten til nanofabrikation af maskiner på nanoskala. + Udforsk yderligere

Visualisering af designer kvantetilstande i stabile makrocykliske kvantekorraler