Jednomolekulární elektrický motor - Single-molecule electric motor

The jedno-molekulový elektrický motor je elektricky ovládaný motor vyrobený z jediné molekuly butylmethylsulfidu.[1] Molekula je adsorbována na a měď (111) monokrystal kousek od chemisorpce.[1] Motor, nejmenší elektrický motor na světě,[2] je jen a nanometr (miliardtina metru) napříč[3] (60 000krát menší než tloušťka lidského vlasu). To bylo vyvinuto chemiky na Tufts University School of Arts and Sciences a publikováno online 4. září 2011.[4]

Pozadí

Jednomolekulární motory byly již předvedeny. Tyto motory byly buď poháněny chemickými reakcemi[5] nebo světlem.[6] Toto je první experimentální demonstrace úspěšné vazby elektrické energie na směrovanou molekulární rotaci.[3][7]

Mechanismus směrované rotace

Butylmethylsulfid je asymetrický thioether což je achirál v plynné fázi. Molekula může adsorbovat na povrch kteroukoli ze dvou síry osamělý pár. To vede k povrchově vázané chirality molekuly.[8] The asymetrie rozhraní molekulárního povrchu vede k asymetrické bariéře rotace.[9] Molekula rotuje kolem této vazby síry a mědi. Elektrony kvantové tunelování ze špičky STM elektricky vzrušují molekulární vibrace, které se spojují do rotačních režimů.[7] Otáčení motoru lze regulovat nastavením toku elektronů ze skenovacího tunelového mikroskopu a teplotou pozadí.[1] Hrot rastrovacího elektronového mikroskopu funguje jako elektroda. The chirálnosti špičky STM a molekuly určují rychlost a směr otáčení.[1] Snímky pořízené z molekuly v 5 K. a za neporušovacích podmínek skenování ukazují půlměsícovitý výčnělek molekuly.[10] Když se teplota zvýší na 8 K, začne se molekula otáčet v šesti směrech určených hexagonální strukturou mědi, na kterou je adsorbována. V tomto případě se snímek STM pořízený z molekuly jeví jako šestiúhelník, protože časový rozsah zobrazování je mnohem pomalejší než rychlost otáčení molekuly.[10]

Stanovení rychlosti a směru otáčení

Šest stavů rotace molekuly lze určit srovnáním hrotu rastrovacího elektronového mikroskopu asymetricky na straně jednoho z laloků molekuly během spektroskopických měření. Když je butylový ocas nejblíže ke špičce mikroskopu, tunelovací proud by byl maximální a naopak. Pozici molekuly na povrchu lze určit tunelovým proudem. Vynesením polohy proti času lze určit rychlost a směr otáčení.[10] Při vyšších teplotách se motor s jednou molekulou otáčí příliš rychle (až jeden milion otáček za sekundu při 100 K), aby jej bylo možné monitorovat.[2]

aplikace

Jednomolekulární elektromotor lze efektivně využít ve strojírenství,[2] nanotechnologické aplikace a léčivé aplikace,[3] kde by mohly být léky dodávány přesněji na určená místa.[3] Změnou chemické struktury molekuly by se mohla stát součástí a nanoelektromechanický systém (NEMS). Má také potenciál k využití pro generování mikrovlnného záření.[3]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d Tierney, Heather L .; Murphy, Colin J .; Jewell, duben D .; Baber, Ashleigh E .; Iski, Erin V .; Khodaverdian, Harout Y .; McGuire, Allister F .; Klebanov, Nikolai; Sykes, E. Charles H. (4. září 2011). "Experimentální demonstrace jedno-molekulárního elektrického motoru". Přírodní nanotechnologie. Příroda. 1 (10): 625–629. Bibcode:2011NatNa ... 6..625T. doi:10.1038 / nnano.2011.142. ISSN  1748-3387. PMID  21892165.
  2. ^ A b C „Jedna molekula dělá nejmenší elektrický motor, znamená průlom v nanovědách“. International Business Times. Archivovány od originál dne 2012-03-26. Citováno 2011-08-06.
  3. ^ A b C d E „Elektromotor vyrobený z jediné molekuly“. BBC News Online. Citováno 2011-08-06.
  4. ^ „Nejmenší elektrický motor na světě vyrobený z jedné molekuly“. Věda denně. Citováno 2011-08-06.
  5. ^ Kelly T. R., De Silva H., Silva R. A. (1999). "Jednosměrný rotační pohyb v molekulárním systému". Příroda. 401 (6749): 150–152. Bibcode:1999 Natur.401..150K. doi:10.1038/43639. PMID  10490021.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  6. ^ Koumura N., Zijlstra R. W., van Delden R. A., Harada N., Feringa B. L. (1999). "Světlem poháněný jednosměrný molekulární rotor" (PDF). Příroda. 401 (6749): 152–155. Bibcode:1999 Natur.401..152K. doi:10.1038/43646. PMID  10490022.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  7. ^ A b „Jednomolekulární„ motor “měří jen nanometr“. Registrace. Citováno 2011-08-06.
  8. ^ Baber, Ashleigh E .; Tierney, Heather L .; Sykes, E. Charles H. (25. listopadu 2008). „Kvantitativní jedno molekulární studie thioetherových molekulárních rotorů“. ACS Nano. 2 (11): 2385–2391. doi:10.1021 / nn800497y. PMID  19206406.
  9. ^ Tierney, Heather L .; Han, Jeong Woo; Jewell, duben D .; Iski, Erin V .; Baber, Ashleigh E .; Sholl, David S .; Sykes, E. Charles H. (3. února 2011). „Chirality and Rotation of Asymetric Surface-Bound Thioethers“. The Journal of Physical Chemistry C. 115 (4): 897–901. doi:10.1021 / jp1026702.
  10. ^ A b C Tierney, Heather L .; Murphy, Colin J .; Jewell, duben D .; Baber, Ashleigh E .; Iski, Erin V .; Khodaverdian, Harout Y .; McGuire, Allister F .; Klebanov, Nikolai; Sykes, E. Charles H. (2011). „Experimentální demonstrace jedno-molekulárního elektrického motoru - DOPLŇUJÍCÍ INFORMACE“ (PDF). Přírodní nanotechnologie. 6 (10): 625–629. Bibcode:2011NatNa ... 6..625T. doi:10.1038 / nnano.2011.142. PMID  21892165. Citováno 2011-08-06.

externí odkazy