Hoogwaardige materialen voor gasopslag, thermische isolatoren of nanomachines hebben een grondig begrip nodig van het gedrag van het materiaal tot op moleculair niveau. Thermodynamica, die tweehonderd jaar geleden zijn ontwikkeld om de efficiëntie van stoommachines te verhogen, typisch observeert en gemiddelden over een groot aantal moleculen. Nu heeft een team van wetenschappers een methodologie ontwikkeld, om de evenwichtsthermodynamica van afzonderlijke moleculen te onderzoeken.

Op zoek naar hoogwaardige materialen voor toepassingen zoals gasopslag, thermische isolatoren of dynamische nanosystemen is het essentieel om het thermische gedrag van materie tot op moleculair niveau te begrijpen. Klassieke thermodynamica gemiddeld in de tijd en over een groot aantal moleculen. Binnen een driedimensionale ruimte kunnen afzonderlijke moleculen een bijna oneindig aantal toestanden aannemen, waardoor de beoordeling van individuele soorten bijna onmogelijk is.

Nu hebben onderzoekers van Technische Universität München (TUM) en Linköping University (LIU) een methodologie ontwikkeld, waarmee de evenwichtsthermodynamica van afzonderlijke moleculen met atomaire resolutie bij aanzienlijke temperaturen kan worden onderzocht. De baanbrekende studie is gebaseerd op twee pijlers:een technologie die het mogelijk maakt om moleculen in tweedimensionale nanoporiën te kooien en uitgebreide computationele modellering.

Gevangen in twee dimensies

Bij de leerstoel Molecular Nanoscience and Chemical Physics of Interfaces aan de TU München, onder leiding van Prof. Dr. Johannes V. Barth, PD Dr. Florian Klappenberger ontwikkelde de methode om hoogwaardige metaal-organische netwerken te maken op een zilveren ondergrond. Het netwerk vormt nanoporiën die de bewegingsvrijheid van geadsorbeerde enkelvoudige moleculen in twee dimensies beperken. Met behulp van scanning tunneling microscopie konden de onderzoekers hun bewegingen bij verschillende temperaturen volgen met een resolutie van minder dan nanometer.

Parallel aan de experimenten, de onderzoekers werkten met geavanceerde computermodellen om de temperatuurafhankelijkheid van de dynamiek van deze enkelvoudig ingesloten moleculen te beschrijven. "We hebben ultramoderne supercomputerberekeningen toegepast om de interacties en het energielandschap te begrijpen die de beweging van de moleculen bepalen", zegt Jonas Björk van de Universiteit van Linköping.

Door experimentele en gemodelleerde gegevens te vergelijken, ontdekten de wetenschappers dat de integraaltheorie onder bepaalde omstandigheden een eenvoudige projectie van de moleculaire posities in de ruimte benadert. Deze benadering staat centraal in de statistische mechanica, maar is nooit eerder uitgedaagd om een ​​experiment te reproduceren, vanwege de praktisch oneindige moleculaire posities en energieën die men moest overwegen zonder de opsluiting op nanoschaal.

Analogie met biologie

"Het was buitengewoon opwindend om tweedimensionale netwerken te gebruiken als een opsluitingsstrategie om de beschikbare conformationele ruimte van een enkel molecuul te verkleinen, zoals een chaperonne dat doet met een eiwit", zegt Dr. Carlos-Andres Palma, de hoofdauteur van de studie. "Naar analogie van de biologie, een dergelijke vorm van opsluitingstechnologie heeft het potentieel om sensoren tot stand te brengen, nanomachines en mogelijk logica gecontroleerd door en gemaakt van moleculaire distributies."

Door hun kennis van karakteristieke evenwichtsconfiguraties toe te passen, de onderzoekers hebben de nanoporie zorgvuldig gemoduleerd, waardoor een enkel molecuul letters van het alfabet schrijft, zoals L, ik en jij, gewoon door de temperatuur fijn af te stemmen.