Wetenschap
Een moleculaire maanlander:inzicht in moleculaire beweging op oppervlakken op nanoschaal
Wetenschappers zijn al jaren geïntrigeerd door de manier waarop moleculen over oppervlakken bewegen. Het proces is van cruciaal belang voor tal van toepassingen, waaronder katalyse en de productie van apparaten op nanoschaal.
Met behulp van neutronenspectroscopie-experimenten uitgevoerd bij het Institut Laue-Langevin (ILL) en geavanceerde theoretische modellen en computersimulaties heeft een team onder leiding van Anton Tamtögl van de Technische Universiteit van Graz nu de unieke beweging van trifenylfosfine (PPh3 ) moleculen op grafietoppervlakken, een gedrag dat lijkt op dat van een nanoscopische maanlander.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Communications Chemistry .
In feite PPh3 moleculen vertonen een opmerkelijke vorm van beweging, rollen en vertalen op manieren die eerdere inzichten uitdagen. Deze maanlander-achtige beweging lijkt te worden vergemakkelijkt door hun unieke geometrie en driepuntsbinding met het oppervlak.
"Het was een spannende reis om je te verdiepen in de complexe wereld van moleculaire beweging op grafietoppervlakken", onthult Anton Tamtögl. "Metingen en simulatie onthulden een verfijnde beweging en 'dans' van de moleculen, waardoor we een dieper inzicht kregen in de oppervlaktedynamiek en nieuwe horizonten werden geopend voor materiaalwetenschap en nanotechnologie."
Trifenylfosfine is een belangrijk molecuul voor de synthese van organische verbindingen en nanodeeltjes met tal van industriële toepassingen. Het molecuul vertoont een bijzondere geometrie:PPh3 is piramidaal met een propellerachtige opstelling van de drie cyclische atomengroepen.
Neutronen bieden unieke mogelijkheden bij de studie van de structuur en dynamiek van materialen. In een typisch experiment worden door het monster verstrooide neutronen gemeten als een functie van de verandering in hun richting en energie. Vanwege hun lage energie zijn neutronen een uitstekende sonde voor het bestuderen van excitaties met lage energie, zoals moleculaire rotaties en diffusie. Neutronenspectroscopiemetingen werden uitgevoerd bij ILL Instruments IN5 (TOF-spectrometer) en IN11 (neutronenspin-echospectrometer).
"Het is verbazingwekkend om te zien hoe de krachtige spectrometers van ILL ons in staat stellen de dynamiek van deze fascinerende moleculaire systemen te volgen, zelfs als de hoeveelheid monster klein is", zegt ILL-wetenschapper Peter Fouquet. "Neutronenbundels vernietigen deze gevoelige monsters niet en maken een perfecte vergelijking met computersimulaties mogelijk."
Uit het onderzoek blijkt dat PPh3 moleculen interageren met het grafietoppervlak op een manier die hen in staat stelt te bewegen met verrassend lage energiebarrières. De beweging wordt gekenmerkt door rotaties en translaties (sprongbewegingen) van de moleculen. Terwijl rotaties en intramoleculaire bewegingen domineren tot ongeveer 300 K, volgen de moleculen een extra translationele sprongbeweging over het oppervlak van 350-500 K.
Het begrijpen van de gedetailleerde mechanismen van moleculaire beweging op nanoschaal opent nieuwe wegen voor de fabricage van geavanceerde materialen met op maat gemaakte eigenschappen. Afgezien van het fundamentele belang, de beweging van PPh3 en verwante verbindingen op grafietoppervlakken is van groot belang voor toepassingen.