Nanoteknologer sätter ihop intrikata nanoenheter, som datorchips, molekyl för molekyl med hjälp av "bottom-up" -tekniker som speglar naturen. Ett tillvägagångssätt skjuter molekyler längs ytor till nya och funktionella arrangemang med hjälp av elektroner från en scanning tunneling microscope (STM) spets. Dock, eftersom energiöverföring mellan spetsen i atomskala och ytkemikalien involverar många komplexa interaktioner, mödosamma ansträngningar krävs för närvarande för att förstå även de enklaste reaktionerna.

Resultat från en ny teoretisk och experimentell studie, dock, kan snart tillåta icke-specialister att enkelt konstruera molekylära enheter. Kenta Motobayashi och Yousoo Kim från RIKEN Advanced Science Institute i Wako och deras kollegor från RIKEN och japanska universitet har utvecklat en matematisk formel som beskriver hur STM-inducerade molekylära vibrationer kopplas till dynamiska rörelser på ytor – vilket möjliggör exakt beräkning av energin och antalet elektroner som behövs för att initiera rörelser med en enda molekyl.

När forskare använder en STM för att utföra en okomplicerad molekylär rörelse - till exempel, genom att göra kolmonoxid (CO) -föreningar till att "hoppa" på palladiumytor - de ser att fraktionen av framgångsrika rörelser beror starkt på den applicerade spänningen. För CO, detta beror på att hoppning från en yta till en annan kräver en tunnelelektron för att initiera en specifik sträckvibration. I spänningsområdet som motsvarar denna vibrationsenergi, CO-hoppning kan öka exponentiellt, ger upphov till så kallade "aktionsspektra":kurvor för rörelseavkastning kontra spänning med former som är karakteristiska för speciella ytreaktioner.

Motobayashi, Kim och kollegor försökte avslöja de mikroskopiska mekanismerna bakom STM-stimulerad diffusion genom att föreslå en formel som relaterar rörelseutbyten till energiöverföringseffektiviteten som behövs för att excitera reaktionsutlösande vibrationer, samtidigt som de står för termiska interaktioner. Att anpassa CO-verkansspektra till denna formel avslöjade den exakta storleken på kritiska reaktionsegenskaper, som vibrationsenergier och hastighetskonstanter, eftersom spektralkurvorna var mycket känsliga för små modifieringar av passningsparametrarna.

Vidare, lagets nya ekvation visade sig mångsidig nog för att analysera de mer komplexa rörelserna av buten (C ₄ H ₈ ) molekyler på palladium, en process som involverar flera excitationer. Analys av butenverkansspektra med formeln visade närvaron av tre distinkta vibrationer och möjliggjorde beräkning av reaktionsordningen - en grundläggande kemisk egenskap som identifierar antalet tunnelelektroner som behövs för att initiera ytrörelse.

Enligt Motobayashi, de överraskande förmågorna hos denna enkla metod borde utöka nanoteknikpraxis nerifrån och upp. "STM-baserad aktionsspektroskopi, som exakt kan identifiera kemiska arter tack vare våra spektralkopplingar, lovar att i hög grad bidra till tekniken att komponera molekylära enheter, ” konstaterar han.