Machines op nanoschaal hebben veel toepassingen, waaronder medicijnafgifte, transistortechnologie met één atoom of geheugenopslag. De machinerie moet echter op nanoschaal worden geassembleerd, wat een grote uitdaging is voor onderzoekers.

Voor nanotechnologie-ingenieurs is het uiteindelijke doel om functionele machines onderdeel voor onderdeel op nanoschaal te kunnen assembleren. In de macroscopische wereld kunnen we eenvoudig items pakken om ze in elkaar te zetten. Het is niet onmogelijk meer om afzonderlijke moleculen te "grijpen", maar hun kwantumkarakter maakt hun reactie op manipulatie onvoorspelbaar, waardoor het vermogen om moleculen één voor één te assembleren, wordt beperkt. Dit vooruitzicht is nu een stap dichter bij de realiteit, dankzij een internationale inspanning onder leiding van het onderzoekscentrum Jülich van de Helmholtz-vereniging in Duitsland, met inbegrip van onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Warwick.

In het artikel "The stabilisation potential of a standing molecule", vandaag gepubliceerd, 10 november 2021 in het tijdschrift Science Advances , heeft een internationaal team van onderzoekers het generieke stabilisatiemechanisme van een enkel staand molecuul kunnen onthullen, dat kan worden gebruikt bij het rationele ontwerp en de constructie van driedimensionale moleculaire apparaten aan oppervlakken.

De scanning probe microscope (SPM) heeft de visie van fabricage op moleculaire schaal dichter bij de realiteit gebracht, omdat het de mogelijkheid biedt om atomen en moleculen op oppervlakken te herschikken, waardoor metastabiele structuren kunnen worden gecreëerd die zich niet spontaan vormen. Met behulp van SPM konden Dr. Christian Wagner en zijn team interageren met een enkel staand molecuul, peryleen-tetracarbonzuurdianhydride (PTCDA) op een oppervlak om de thermische stabiliteit en temperatuur te bestuderen waarbij het molecuul niet langer stabiel zou zijn en terug zou vallen in zijn natuurlijke staat waar het plat op het oppervlak adsorbeert. Deze temperatuur bedraagt ​​-259,15 Celsius, slechts 14 graden boven het absolute nulpunt.

Kwantumchemische berekeningen, uitgevoerd in samenwerking met Dr. Reinhard Maurer van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Warwick, hebben kunnen onthullen dat de subtiele stabiliteit van het molecuul voortkomt uit de concurrentie van twee sterke tegenwerkende kwantumkrachten, namelijk de aantrekking op lange afstand van het oppervlak en de herstelkracht op korte afstand die voortkomt uit het ankerpunt tussen het molecuul en het oppervlak.

Dr. Reinhard Maurer van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Warwick merkt op:"De balans van interacties die ervoor zorgt dat het molecuul niet omvalt, is heel subtiel en een echte uitdaging voor onze kwantumchemische simulatiemethoden. Naast het leren van de fundamentele mechanismen die dergelijke ongebruikelijke nanostructuren stabiliseren, heeft het project ons ook geholpen om de mogelijkheden van onze methoden te beoordelen en te verbeteren."

Dr. Christian Wagner van het Peter Grünberg Institute for Quantum Nanoscience (PGI-3) van het onderzoekscentrum Jülich zegt:"Om technologisch gebruik te maken van de fascinerende kwantumeigenschappen van individuele moleculen, moeten we de juiste balans vinden:ze moeten worden geïmmobiliseerd op een oppervlak, maar zonder ze te sterk te fixeren, anders zouden ze deze eigenschappen verliezen. Staande moleculen zijn in dat opzicht ideaal. Om te meten hoe stabiel ze eigenlijk zijn, moesten we ze keer op keer rechtop zetten met een scherpe metalen naald en tijd hoe lang ze overleefden bij verschillende temperaturen."

Nu de interacties die aanleiding geven tot een stabiel staand molecuul bekend zijn, kan toekomstig onderzoek werken aan het ontwerpen van betere moleculen en molecuul-oppervlakteverbindingen om die kwantuminteracties af te stemmen. Dit kan helpen om de stabiliteit te vergroten en de temperatuur waarbij moleculen kunnen worden omgezet in staande arrays naar werkbare omstandigheden. Dit verhoogt het perspectief van nanofabricage van machines op nanoschaal. + Verder verkennen

Het visualiseren van designer-kwantumtoestanden in stabiele macrocyclische quantumcorrals