Ученые смогли повернуть одну молекулу в заданном направлении по требованию

324

Можно легко вращать небольшой шарик в руке, перебирая пальцами. Но нужны изобретательные ученые с доступом к научному оборудованию мирового класса, чтобы вращать объект шириной всего две миллиардных доли метра. Это в миллион раз меньше, чем капля дождя. Ученые из Аргоннской национальной лаборатории (DOE) сообщают, что они смогли точно вращать единственную молекулу по требованию.

Ключевым ингредиентом является один атом европия, редкоземельного элемента. Он находится в центре комплекса различных атомов и дает молекуле множество потенциальных применений.

Термин «редкоземельный» обманчив. Редкоземельные элементы не совсем редки, но являются важными материалами, используемыми во многих электронных устройствах, таких как телефоны, жесткие диски компьютеров, солнечные панели и мониторы с плоским экраном.

Возможность вращать молекулу европия по запросу может расширить их применение в микроэлектронике следующего поколения, которая работает с относительно низким энергопотреблением, в квантовых компьютерах и многом другом.

Редкоземельные элементы легко сочетаются с другими элементами земной коры. Таким образом, производить чистые редкоземельные элементы для устройств сложно и дорого. Кроме того, сбор отходов, содержащих редкоземельные элементы, обходится дорого. Комплекс европия уменьшит количество редкоземельных элементов, необходимых для конкретного устройства, и будет намного дешевле в массовом производстве.

Ключевыми компонентами комплекса являются один атом европия с положительным зарядом и две небольшие молекулы с отрицательным зарядом. Атом европия находится в центре комплекса, а одна из небольших молекул сбоку, а другая внизу.

Контролируемое вращение комплекса Eu на листе золота
Контролируемое вращение комплекса Eu на листе золота, инициированное электрической энергией наконечника СТМ, вверху слева. Комплекс европия до и после поворота на 120 градусов (б, в). Пунктирная окружность указывает на отрицательно заряженную молекулу.

Поскольку противоположности притягиваются, отрицательные и положительные заряды удерживают эти компоненты вместе без необходимости химической связи.

А маленькая молекула внизу прикрепляет комплекс к листу золота. Этот лист действует как стол, чтобы держать весь комплекс в одном месте.

«Обычно, если вы прикрепляете такой комплекс, как наш, с положительными и отрицательными зарядами к металлическому листу, заряды рассеиваются», — говорят ученые. «Но мы были в восторге, когда этого не произошло здесь. Наши расчеты показали, что атомы в комплексе, окружающем атом европия, действуют как изолятор, который предотвращает рассеивание зарядов на золотом листе».

Две отрицательно заряженные молекулы в комплексе работают вместе, действуя как управляющая единица. Чтобы запустить вращение, ученые подали электрическую энергию на определенную точку комплекса через наконечник инструмента, называемого сканирующим туннельным микроскопом. Этот зонд не только контролирует вращение, но и может визуализировать комплекс для изучения.

При температуре 100 кельвинов комплекс постоянно вращается. Это вращение останавливается, когда температура снижается до ультрахолодных 5 К.

Применение электрической энергии запускает желаемое вращение на 60 или 120 градусов, по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от того, куда направлено электрическое поле.

«Мы можем повернуть этот комплекс европия на 60 или 120 градусов вправо или влево», — говорят исследователи. «Возможность контролировать движение редкоземельного комплекса, такого как этот, может повлиять на широкий спектр технологий».

Они включают в себя микроэлектронику нового поколения, квантовые технологии, катализ для ускорения реакций, преобразование света в электричество и многое другое.

Исследование было опубликовано в Nature Communications.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии