Tyska forskare från Technische Universitaet Muenchen har lyckats rikta självmonteringen av stavformade molekyler till rotorer med bara några nanometer stora. De små systemen tjänar studiet av krafter som verkar på molekyler på ytor och i burliknande strukturer. Deras resultat publiceras i det aktuella online -numret av Förfaranden från National Academy of Sciences .

I nanoworld är många saker annorlunda. Forskare började nyligen avslöja och utnyttja de underliggande lagarna och principerna. Ett team associerat med professor Johannes Barth från fysikavdelningen vid TU Muenchen har nu lyckats fånga stavformade molekyler i ett tvådimensionellt nätverk på ett sådant sätt att de autonomt bildar små rotorer som vänder sig i sina bikakliknande burar.

Naturen själv är förebilden för sådana självorganiserande system. Detta är hur proteiner för reaktanter så nära varandra att reaktioner kan äga rum - reaktioner som bara är möjliga i mycket nära närhet. Dessa effekter används i katalysatorer:ytreaktanter hittar sin väg till varandra på ytan av dessa underlättare. Dock, den eftertraktade drömmen om att använda självorganiseringseffekter på ett sådant sätt att nanomaskiner monterar sig själva är fortfarande en sak i framtiden.

Rotorerna som utvecklats i Garching är ett viktigt steg i denna riktning. Först, fysikerna byggde upp ett omfattande nanogitter genom att låta koboltatomer och stavformade molekyler av sexifenyldikarbonitril reagera med varandra på en silveryta. Detta resulterar i ett bikakeliknande gitter med extrem regelbundenhet med häpnadsväckande stabilitet. Precis som grafen, för vilka dess upptäckare tilldelades Nobelpriset för bara några veckor sedan, detta gitter är exakt en atom tjockt.

När forskarna lade till ytterligare molekylära byggstenar, stavarna samlades spontant, vanligtvis i grupper om tre, i en bikakecell medan närliggande celler förblev tomma. De lummiga molekylerna måste ha haft en anledning till att organisera sig i trekant. Under ett skanningstunnelmikroskop kunde forskarna inse varför. De tre molekylerna orienterade sig på ett sådant sätt att kväveändarna vardera stod inför en fenylring-väteatom. Detta trebladiga rotorarrangemang är så energiskt fördelaktigt att molekylerna bibehåller denna struktur även när termisk energi driver den till rotation.

Eftersom bikakecellen inte är rund, men sexkantig, det finns två olika positioner för rotorerna som kan särskiljas som ett resultat av interaktionerna mellan de yttre kväveatomerna och väteatomerna i cellväggen. Vidare, de tre molekylerna ordnas medsols och moturs. I experiment med olika noggrant kontrollerade temperaturer kunde fysikerna "frysa" alla fyra tillstånden och undersöka dem noga. De kunde således bestämma energin för dessa trösklar utifrån den temperatur vid vilken rotationen återupptogs.

"Vi hoppas att vi i framtiden kommer att kunna utvidga dessa enkla mekaniska modeller till optisk eller elektronisk omkoppling, "säger professor Johannes Barth." Vi kan ange en specifik cellstorlek, vi kan specifikt ta in ytterligare molekyler och studera deras interaktion med ytan och cellväggen. Dessa självorganiserande strukturer har en enorm potential. "