I åratal har forskare varit fascinerade av hur molekyler rör sig över ytor. Processen är avgörande för många tillämpningar, inklusive katalys och tillverkning av enheter i nanoskala.
Nu, med hjälp av neutronspektroskopiexperiment utförda vid Institut Laue-Langevin (ILL) och avancerade teoretiska modeller och datorsimuleringar, har ett team ledd av Anton Tamtögl från Graz tekniska högskola avslöjat den unika rörelsen av trifenylfosfin (PPh3 ) molekyler på grafitytor, ett beteende som liknar en nanoskopisk månlandare.
Verket publiceras i tidskriften Communications Chemistry .
Faktum är att PPh3 molekyler uppvisar en anmärkningsvärd form av rörelse, rullar och översätter på sätt som utmanar tidigare förståelser. Denna månlandarliknande rörelse verkar underlättas av deras unika geometri och trepunktsbindning med ytan.
"Att fördjupa sig i den komplexa världen av molekylär rörelse på grafitytor har varit en spännande resa", avslöjar Anton Tamtögl. "Mätningar och simulering avslöjade en sofistikerad rörelse och "dans" av molekylerna, vilket gav oss en djupare förståelse för ytdynamik och öppnade nya horisonter för materialvetenskap och nanoteknik."
Trifenylfosfin är en viktig molekyl för syntes av organiska föreningar och nanopartiklar med många industriella tillämpningar. Molekylen uppvisar en speciell geometri:PPh3 är pyramidformad med ett propellerliknande arrangemang av sina tre cykliska grupper av atomer.
Neutroner erbjuder unika möjligheter i studien av materialens struktur och dynamik. I ett typiskt experiment mäts neutroner som sprids från provet som en funktion av förändringen i deras riktning och energi. På grund av sin lågenergi är neutroner en utmärkt sond för att studera lågenergiexcitationer såsom molekylära rotationer och diffusion. Neutronspektroskopimätningar utfördes vid ILL Instruments IN5 (TOF-spektrometer) och IN11 (neutronspin-ekospektrometer).
"Det är fantastiskt att se hur ILL:s kraftfulla spektrometrar tillåter oss att följa dynamiken i dessa fascinerande molekylära system även om mängden prov är liten", säger ILL-forskaren Peter Fouquet. "Neutronstrålar förstör inte dessa känsliga prover och möjliggör en perfekt jämförelse med datorsimuleringar."
Studien visar att PPh3 molekyler interagerar med grafitytan på ett sätt som gör att de kan röra sig med förvånansvärt låga energibarriärer. Rörelsen kännetecknas av rotationer och translationer (hopprörelser) av molekylerna. Medan rotationer och intramolekylär rörelse dominerar upp till cirka 300 K, följer molekylerna ytterligare en translationell hopprörelse över ytan från 350-500 K.
Att förstå de detaljerade mekanismerna för molekylär rörelse på nanoskala öppnar nya vägar för tillverkning av avancerade material med skräddarsydda egenskaper. Bortsett från det grundläggande intresset, rörelsen av PPh3 och relaterade föreningar på grafitytor är av stor betydelse för applikationer.
Mer information: Anton Tamtögl et al, Molecular motion of a nanoscopic moonlander via translations and rotations of trifenylphosphine on grafit, Communications Chemistry (2024). DOI:10.1038/s42004-024-01158-7
Journalinformation: Kommunikationskemi
Tillhandahålls av Institut Laue-Langevin
