Нанотехнологии меняют мир: манипулирование материей в почти атомном масштабе для производства наноматериалов, наноструктур и наномашин, которые находят широкое применение во всем, от биомедицины до квантовых вычислений.

В частности, наноразмерный материал захватывает воображение инженеров-нанотехнологов, которых движет желание собирать по частям действующее оборудование в наномасштабе. Вдохновленный видением Ричарда Фейнмана и знаменитым докладом о сборке атом за атомом, наноразмерное оборудование имеет отличный потенциал применения в доставке лекарств, хранении памяти и технологии одноатомных транзисторов.

Однако инженерам приходится решать множество проблем. Хотя современные передовые технологии могут облегчить манипуляции с отдельными молекулами, их квантовая природа делает это непредсказуемым.

Тем не менее, недавняя статья, опубликованная в Science Advances, представляет сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) как полезный инструмент для продвижения производства в молекулярном масштабе.

Под руководством доктора Кристиана Вагнера, исследователя из Института Петера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха, Германия, группа смогла показать, что SPM способствует взаимодействию с единственной стоящей молекулой.

Недавно было продемонстрировано, что отдельная молекула 3,4,9,10-перилен-тетракарбоновой диангидрида (PTCDA) может быть приведена в стоячую конфигурацию на поверхности Ag (111).

Д-р. Кристиан Вагнер, научный сотрудник Института Петера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха, Германия

Что такое SPM?

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – это метод наблюдения поверхности образца, как ветвь микроскопии, в которой вместо использования света для сканирования образца используется физический зонд. В результате SPM может получать информацию вплоть до субатомного уровня, что невозможно с помощью световой микроскопии.

Разрешение SPM даже превосходит возможности других передовых методов микроскопии, таких как сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM).

Физический зонд в ядре системы имеет чрезвычайно острый наноразмерный наконечник, который сканирует образец взад и вперед, подобно тому, как игла проигрывателя взаимодействует с канавками на виниловой пластинке.

Площадь изображения, которую сканирует СЗМ, может составлять всего несколько нанометров. Методы СЗМ чрезвычайно универсальны, а это означает, что можно проводить многие типы измерений в зависимости от взаимодействия между зондом и образцом.

Применение метода

Используя метод СЗМ, Вагнер и его команда смогли оценить термическую стабильность молекулы и при какой температуре она вернется в свое естественное состояние после воздействия манипуляций: всего 14 градусов выше абсолютного нуля.

Мы измерили срок службы трехмерного одномолекулярного устройства, изготовленного с помощью СЗМ, и определили механизм его стабильности как общий баланс между локальными ковалентными взаимодействиями и нелокальными дальнодействующими силами ВДВ.

Д-р. Кристиан Вагнер, научный сотрудник Института Петера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха, Германия

Вагнер и его команда, в которую входили исследователи из химического факультета Уорикского университета, также провели серию квантовых вычислений, которые раскрыли тонкости молекулярной стабильности, что оказалось сложной задачей.

Однако эта задача позволяет группе предпринять согласованные усилия для улучшения своей методологии в будущем и технологического использования квантовых свойств отдельных молекул.

Результаты, представленные здесь, могут служить ориентиром для будущего проектирования и изготовления широкого диапазона метастабильных молекулярных структур.

Д-р. Кристиан Вагнер, научный сотрудник Института Петера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха, Германия

Кроме того, при идентификации взаимодействий, которые способствуют развитию одиночных молекул, команда может создать новые методы для настройки квантовых взаимодействий. Ключом к будущему прогрессу было открытие температуры для определения потенциального энергетического барьера, который стабилизирует молекулу в ее стоячей конфигурации.

Исследователи успешно продемонстрировали, что сканирующая зондовая микроскопия может приблизить возможность изготовления на основе СЗМ подхода к перегруппировке атомов и молекул на поверхности.

Помимо их влияния на будущее проектирование и создание трехмерных устройств молекулярного масштаба на поверхностях, исследователи также подчеркивают, что стоячие молекулы могут также функционировать как настраиваемые механические гигагерцовые генераторы.

Ссылки и дополнительная литература

Дэви, Р., (2021) Что такое молекулярная нанотехнология? . [online] AZoNano.com. Доступно по адресу: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5850

Knol, M., et al., (2021) Стабилизационный потенциал стоячей молекулы . [online] Достижения науки. Доступно по адресу: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9751[19459005visible

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.