Maskiner i nanoskala har många användningsområden, inklusive läkemedelstillförsel, enatomstransistorteknologi eller minneslagring. Maskineriet måste dock monteras i nanoskala, vilket är en stor utmaning för forskare.

För nanoteknikingenjörer är det slutliga målet att kunna montera funktionella maskiner del för del i nanoskala. I den makroskopiska världen kan vi helt enkelt ta tag i föremål för att montera dem. Det är inte omöjligt att "gripa" enstaka molekyler längre, men deras kvantnatur gör deras svar på manipulation oförutsägbart, vilket begränsar möjligheten att sätta ihop molekyler en efter en. Denna utsikt är nu ett steg närmare verkligheten, tack vare en internationell insats ledd av forskningscentret Jülich i Helmholtz-samhället i Tyskland, inklusive forskare från avdelningen för kemi vid University of Warwick.

I tidningen "The stabilization potential of a standing molecule", publicerad idag, 10 november 2021 i tidskriften Science Advances , har ett internationellt team av forskare kunnat avslöja den generiska stabiliseringsmekanismen för en enda stående molekyl, som kan användas i rationell design och konstruktion av tredimensionella molekylära enheter på ytor.

Skanningssondsmikroskopet (SPM) har fört visionen om tillverkning i molekylär skala närmare verkligheten, eftersom det erbjuder förmågan att omordna atomer och molekyler på ytor, och därigenom möjliggöra skapandet av metastabila strukturer som inte bildas spontant. Genom att använda SPM kunde Dr Christian Wagner och hans team interagera med en enda stående molekyl, perylentetrakarboxylsyradianhydrid (PTCDA) på en yta för att studera den termiska stabiliteten och temperaturen vid vilken molekylen skulle sluta vara stabil och falla tillbaka till sitt naturliga tillstånd där det adsorberas plant på ytan. Denna temperatur ligger på -259,15 Celsius, endast 14 grader över den absoluta nolltemperaturen.

Kvantkemiska beräkningar utförda i samarbete med Dr Reinhard Maurer från Institutionen för kemi vid University of Warwick kunde avslöja att den subtila stabiliteten hos molekylen härrör från konkurrensen mellan två starkt motverkande kvantkrafter, nämligen den långväga attraktionen från ytan och den kortdistansåterställande kraft som uppstår från ankarpunkten mellan molekylen och ytan.

Dr. Reinhard Maurer från Institutionen för kemi vid University of Warwick kommenterar:"Balansen av interaktioner som hindrar molekylen från att falla omkull är mycket subtil och en sann utmaning för våra kvantkemiska simuleringsmetoder. Förutom att lära oss om de grundläggande mekanismer som stabiliserar sådana ovanliga nanostrukturer, hjälpte projektet oss också att bedöma och förbättra kapaciteten hos våra metoder."

Dr Christian Wagner från Peter Grünberg Institute for Quantum Nanoscience (PGI-3) vid Research Center Jülich kommenterar, "För att tekniskt kunna använda de fascinerande kvantegenskaperna hos enskilda molekyler måste vi hitta den rätta balansen:De måste vara immobiliserade på en yta, men utan att fixera dem för starkt, annars skulle de förlora dessa egenskaper. Stående molekyler är idealiska i det avseendet. För att mäta hur stabila de faktiskt är fick vi stå upp dem om och om igen med en vass metallnål och tid hur länge de överlevde vid olika temperaturer."

Nu när de interaktioner som ger upphov till en stabil stående molekyl är kända, kan framtida forskning arbeta för att designa bättre molekyler och molekyl-yta-länkar för att justera dessa kvantinteraktioner. Detta kan bidra till att öka stabiliteten och temperaturen vid vilken molekyler kan omvandlas till stående arrayer mot fungerande förhållanden. Detta ökar utsikterna för nanotillverkning av maskiner i nanoskala. + Utforska vidare

Visualisera designers kvanttillstånd i stabila makrocykelkvantkorraler