Одномолекулярный электродвигатель - Single-molecule electric motor

В одномолекулярный электродвигатель электрически управляемый мотор изготовлен из одной молекулы бутилметилсульфида.[1] Молекула адсорбируется на медь (111) монокристалл по частям хемосорбция.[1] Мотор, самый маленький электродвигатель в мире,[2] это просто нанометр (миллиардная метра) в поперечнике[3] (В 60 000 раз меньше толщины человеческого волоса). Его разработали химики Школа искусств и наук Университета Тафтса и опубликовано в Интернете 4 сентября 2011 г.[4]

Фон

Одномолекулярные моторы были продемонстрированы и раньше. Эти двигатели работали либо за счет химических реакций.[5] или светом.[6] Это первая экспериментальная демонстрация электрической энергии, успешно связанной с направленным вращением молекул.[3][7]

Механизм направленного вращения

Бутилметилсульфид - асимметричный тиоэфир которая ахиральна в газовой фазе. Молекула может адсорбироваться на поверхность через любой из двух компонентов серы. одинокая пара. Это приводит к связанной с поверхностью хиральности молекулы.[8] В асимметрия границы раздела молекулярных поверхностей приводит к возникновению асимметричного барьера вращения.[9] Молекула вращается вокруг этой связи сера-медь. Электроны квантовое туннелирование от наконечника СТМ электрически возбуждают молекулярные колебания, которые связаны с вращательными модами.[7] Вращением двигателя можно управлять, регулируя поток электронов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и температуру фона.[1] Наконечник сканирующего электронного микроскопа действует как электрод. В хиральности кончика СТМ и молекулы определяют скорость и направление вращения.[1] Снимки молекулы на 5 K и в условиях непертурбативного сканирования демонстрируют выступ молекулы в форме полумесяца.[10] Когда температура повышается до 8 К, молекула начинает вращаться по шести направлениям, определяемым гексагональной структурой меди, на которой она адсорбируется. В этом случае изображение молекулы, полученное СТМ, выглядит как шестиугольник, так как временной масштаб изображения намного медленнее, чем скорость вращения молекулы.[10]

Определение скорости и направления вращения

Шесть состояний вращения молекулы могут быть определены путем асимметричного выравнивания кончика сканирующего электронного микроскопа на стороне одной из долей молекулы во время спектроскопических измерений. Когда бутиловый хвост находится ближе всего к кончику микроскопа, туннельный ток будет максимальным, и наоборот. Положение молекулы на поверхности можно определить по туннельному току. Построив график зависимости положения от времени, можно определить скорость и направление вращения.[10] При более высоких температурах двигатель из одной молекулы вращается слишком быстро (до миллиона оборотов в секунду при 100 K), чтобы его можно было контролировать.[2]

Заявление

Одномолекулярный электродвигатель можно эффективно использовать в технике,[2] нанотехнологические приложения и медицинские приложения,[3] где лекарства можно было бы более точно доставлять в указанные места.[3] Изменив химическую структуру молекулы, она может стать компонентом наноэлектромеханическая система (НЭМС). Он также может использоваться для генерации микроволнового излучения.[3]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Тирни, Хизер Л .; Мерфи, Колин Дж .; Джуэлл, апрель Д.; Бабер, Эшли Э .; Iski, Erin V .; Ходавердян, Арут Ю .; McGuire, Allister F .; Клебанов, Николай; Сайкс, Э. Чарльз Х. (4 сентября 2011 г.). «Экспериментальная демонстрация одномолекулярного электродвигателя». Природа Нанотехнологии. Природа. 1 (10): 625–629. Bibcode:2011НатНа ... 6..625Т. Дои:10.1038 / nnano.2011.142. ISSN  1748-3387. PMID  21892165.
  2. ^ а б c «Из одной молекулы получается самый маленький электродвигатель - прорыв в нанонауке». International Business Times. Архивировано из оригинал на 2012-03-26. Получено 2011-08-06.
  3. ^ а б c d е «Электродвигатель из одной молекулы». BBC News Online. Получено 2011-08-06.
  4. ^ «Самый маленький в мире электродвигатель, сделанный из одной молекулы». Science Daily. Получено 2011-08-06.
  5. ^ Келли Т. Р., Де Сильва Х., Сильва Р. А. (1999). «Однонаправленное вращательное движение в молекулярной системе». Природа. 401 (6749): 150–152. Bibcode:1999Натура 401..150К. Дои:10.1038/43639. PMID  10490021.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  6. ^ Комура Н., Зийлстра Р. В., ван Делден Р. А., Харада Н., Феринга Б. Л. (1999). "Световой однонаправленный молекулярный ротор" (PDF). Природа. 401 (6749): 152–155. Bibcode:1999Натура.401..152К. Дои:10.1038/43646. PMID  10490022.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  7. ^ а б «Одномолекулярный« мотор »измеряет всего нанометр». Реестр. Получено 2011-08-06.
  8. ^ Бабер, Эшли Э .; Тирни, Хизер Л .; Сайкс, Э. Чарльз Х. (25 ноября 2008 г.). "Количественное исследование одной молекулы тиоэфирных молекулярных роторов". САУ Нано. 2 (11): 2385–2391. Дои:10.1021 / nn800497y. PMID  19206406.
  9. ^ Тирни, Хизер Л .; Хан, Чон У; Джуэлл, апрель Д.; Iski, Erin V .; Бабер, Эшли Э .; Шолл, Дэвид С .; Сайкс, Э. Чарльз Х. (3 февраля 2011 г.). «Хиральность и вращение асимметричных тиоэфиров с поверхностной связью». Журнал физической химии C. 115 (4): 897–901. Дои:10.1021 / jp1026702.
  10. ^ а б c Тирни, Хизер Л .; Мерфи, Колин Дж .; Джуэлл, апрель Д.; Бабер, Эшли Э .; Iski, Erin V .; Ходавердян, Арут Ю .; McGuire, Allister F .; Клебанов, Николай; Сайкс, Э. Чарльз Х. (2011). «Экспериментальная демонстрация одномолекулярного электродвигателя - ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ» (PDF). Природа Нанотехнологии. 6 (10): 625–629. Bibcode:2011НатНа ... 6..625Т. Дои:10.1038 / nnano.2011.142. PMID  21892165. Получено 2011-08-06.

внешняя ссылка