Nanotechnologen assembleren ingewikkelde nanodevices, zoals computerchips, molecuul voor molecuul met behulp van 'bottom-up'-technieken die de natuur weerspiegelen. Eén benadering brengt moleculen langs oppervlakken naar nieuwe en functionele arrangementen met behulp van elektronen van een scanning tunneling microscope (STM) tip. Echter, omdat energieoverdracht tussen de punt op atomaire schaal en de chemische stof aan het oppervlak veel complexe interacties met zich meebrengt, moeizame inspanningen zijn momenteel nodig om zelfs de eenvoudigste reacties te begrijpen.

Resultaten van een nieuwe theoretische en experimentele studie, echter, kan binnenkort niet-specialisten in staat stellen om gemakkelijk moleculaire apparaten te bouwen. Kenta Motobayashi en Yousoo Kim van het RIKEN Advanced Science Institute in Wako en hun collega's van RIKEN en Japanse universiteiten hebben een wiskundige formule ontwikkeld die beschrijft hoe STM-geïnduceerde moleculaire trillingen gepaard gaan met dynamische bewegingen op oppervlakken - waardoor een nauwkeurige berekening van de energie en het aantal elektronen die nodig zijn om bewegingen van een enkel molecuul te initiëren.

Wanneer wetenschappers een STM gebruiken om een ​​rechttoe rechtaan moleculaire beweging uit te voeren, bijvoorbeeld, door koolmonoxideverbindingen (CO) te laten 'springen' op palladiumoppervlakken - ze zien dat de fractie succesvolle bewegingen sterk afhangt van de aangelegde spanning. voor CO, dit komt omdat het springen van de ene oppervlaktelocatie naar de andere een tunneling-elektron vereist om een ​​specifieke rektrilling te initiëren. In het spanningsbereik dat overeenkomt met deze trillingsenergie, CO-hoppen kan exponentieel toenemen, wat aanleiding geeft tot zogenaamde 'actiespectra':bewegingscurven versus spanning met vormen die kenmerkend zijn voor bepaalde oppervlaktereacties.

Motobayashi, Kim en collega's probeerden de microscopische mechanismen achter STM-gestimuleerde diffusie bloot te leggen door een formule voor te stellen die bewegingsopbrengsten relateert aan de energieoverdrachtsefficiëntie die nodig is om reactie-opwekkende trillingen op te wekken, terwijl ook rekening wordt gehouden met thermische interacties. Het aanpassen van de CO-actiespectra aan deze formule onthulde de exacte grootten van kritische reactie-eigenschappen, zoals trillingsenergieën en snelheidsconstanten, omdat de spectrale curven zeer gevoelig waren voor kleine wijzigingen van de fit-parameters.

Verder, de nieuwe vergelijking van het team bleek veelzijdig genoeg om de meer complexe bewegingen van buteen (C ₄ H ₈ ) moleculen op palladium, een proces waarbij meerdere excitaties betrokken zijn. Analyse van de buteenactiespectra met de formule toonde de aanwezigheid van drie verschillende trillingen aan en maakte berekening van de reactievolgorde mogelijk - een fundamentele chemische eigenschap die het aantal tunneling-elektronen identificeert dat nodig is om oppervlaktebeweging te initiëren.

Volgens Motobayashi, de verrassende mogelijkheden van deze eenvoudige methode zouden de nanotechnologiepraktijken van onderop moeten uitbreiden. “STM-gebaseerde actiespectroscopie, die chemische soorten nauwkeurig kan identificeren dankzij onze spectrale fittingen, belooft een grote bijdrage te leveren aan de techniek van het samenstellen van moleculaire apparaten, ' stelt hij vast.