Las interacciones cuánticas en competencia permiten que las moléculas individuales resistan

Para los ingenieros de nanotecnología, el objetivo final es poder ensamblar maquinaria funcional pieza por pieza a nanoescala. En el mundo macroscópico, simplemente podemos agarrar objetos para ensamblarlos. Ya no es imposible «captar» moléculas individuales, pero su naturaleza cuántica hace que su respuesta a la manipulación sea impredecible, lo que limita la capacidad de ensamblar moléculas una por una. Esta perspectiva está ahora un paso más cerca de la realidad gracias a un esfuerzo internacional liderado por el Centro de Investigación Jülich de Helmholtz Company en Alemania que incluye investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Warwick.

En el papel, ‘El potencial de estabilización de una molécula en reposo ‘, publicado el 10^ns Noviembre 2021 en la revista Avances científicos, un equipo internacional de investigadores pudo revelar el mecanismo de estabilización genérico de una sola molécula en pie, que se puede utilizar en el diseño racional y la construcción de dispositivos moleculares tridimensionales en superficies.

El microscopio de sonda de barrido (SPM) ha acercado la visión de la fabricación a escala molecular a la realidad porque ofrece la capacidad de reorganizar átomos y moléculas en superficies, lo que permite la creación de estructuras metaestables que no se forman espontáneamente. Usando SPM, el Dr. Christian Wagner y su equipo pudieron interactuar con una sola molécula en pie, dianhídrido perileno-tetracarboxílico (PTCDA) sobre una superficie para estudiar la estabilidad térmica y la temperatura a la que la molécula dejaría de ser estable. Y caería. de vuelta a su estado natural donde se adsorbe de forma plana en la superficie. Esta temperatura es de -259,15 grados Celsius, solo 14 grados por encima del punto de temperatura del cero absoluto.

Los cálculos de química cuántica realizados en colaboración con el Dr. Reinhard Maurer del Departamento de Química de la Universidad de Warwick pudieron revelar que la estabilidad sutil de la molécula es el resultado de la competencia de dos fuerzas cuánticas contrastantes fuertes, a saber, la atracción de largo alcance que da a la superficie y Fuerza de recuperación de corto alcance resultante del punto de anclaje entre la molécula y la superficie.

El Dr. Reinhard Maurer, del Departamento de Química de la Universidad de Warwick, comenta:

«El equilibrio de interacciones que evita que la molécula caiga es muy sutil y plantea un verdadero desafío para nuestros métodos de simulación química cuántica. Además de enseñarnos los mecanismos fundamentales que estabilizan nanoestructuras tan inusuales, el proyecto también nos ayudó a evaluar y mejorar las capacidades». de nuestros métodos «.

Dr. Christian Wagner del Instituto Peter Grünberg de Nanociencias Cuánticas (PGI-3) en el Centro de Investigación de Jülich comenta:

“Para explotar tecnológicamente las fascinantes propiedades cuánticas de las moléculas individuales, se debe encontrar el equilibrio adecuado: deben inmovilizarse en una superficie, pero sin fijarlas con demasiada fuerza, de lo contrario perderían estas propiedades. Las moléculas estacionarias son ideales en ese sentido. Para medir qué tan estables son en realidad, tuvimos que levantarlos una y otra vez con una aguja de metal afilada y calcular cuánto tiempo han sobrevivido a diferentes temperaturas. «

Ahora que se conocen las interacciones que dan lugar a una molécula estable, la investigación futura puede trabajar para diseñar mejores moléculas y conexiones molécula-superficie para afinar tales interacciones cuánticas. Esto puede ayudar a aumentar la estabilidad y la temperatura a las que las moléculas se pueden transformar en matrices permanentes en condiciones viables. Esto plantea la perspectiva de la nanofabricación de maquinaria a nanoescala.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de Warwick. Nota: El contenido se puede cambiar según el estilo y la longitud.