Дослідники вперше успішно стабілізували молекули фероцену на плоскій підкладці, дозволивши створити ковзну молекулярну машину з електронним керуванням. Штучні молекулярні машини, що складаються лише з кількох молекул, мають трансформаційний потенціал у різноманітних сферах, включаючи каталіз, молекулярну електроніку, медицину та квантові матеріали. Ці нанорозмірні пристрої функціонують шляхом перетворення зовнішніх подразників, таких як електричні сигнали, у керований механічний рух на молекулярному рівні.
Фероцен — унікальна барабаноподібна молекула з атомом заліза (Fe), розміщеним між двома п’ятичленними вуглецевими кільцями — є видатним кандидатом на роль молекулярного механізму. Його відкриття, яке принесло Нобелівську премію з хімії в 1973 році, зробило його основоположною молекулою в цій галузі досліджень.
Привабливість фероцену полягає в його чудовій властивості: зміна електронного стану іона Fe з Fe²⁺ на Fe3⁺ викликає обертання вуглецевих кілець навколо центральної осі молекули на 36°. Цим обертанням потенційно можна керувати за допомогою зовнішніх електричних сигналів, що дозволяє здійснювати точні маніпуляції на молекулярному рівні.
Незважаючи на те, що він багатообіцяючий, значний виклик перешкодив практичному застосуванню фероцену. При адсорбції на поверхні, особливо на плоских підкладках із благородних металів, фероцен розкладається при кімнатній температурі навіть в умовах надвисокого вакууму. До недавнього часу не було знайдено надійного методу закріплення ізольованих молекул фероцену на поверхні без ініціювання розкладання.
Прорив у стабілізації фероцену
У новаторському дослідженні дослідницька група під керівництвом доцента Тойо Казу Ямада з Вищої школи інженерії Університету Чіба, Японія, включаючи професора Пітера Крюгера з інженерного факультету Університету Чіба, професора Сатоші Кера з Інституту молекулярних наук, Японія та професор Масакі Хорі з Національного університету Цін Хуа, Тайвань, нарешті подолали це виклик. Вони успішно створили найменшу у світі молекулярну машину з електричним керуванням.
«У цьому дослідженні ми успішно стабілізували та адсорбували молекули фероцену на поверхні благородного металу шляхом попереднього покриття її двовимірною молекулярною плівкою краун-ефіру. Це перше пряме експериментальне підтвердження руху молекул на основі фероцену в атомному масштабі», — зауважує професор Ямада. Їхні висновки були опубліковані в журналі Small 30 листопада 2024 року.
Щоб стабілізувати молекули фероцену, команда спочатку модифікувала їх, додавши солі амонію, утворивши солі амонію фероцену (Fc-amm). Це покращило довговічність і гарантувало, що молекули можуть бути надійно закріплені на поверхні підкладки. Ці нові молекули потім були закріплені на моношаровій плівці, що складається з циклічних молекул краун-ефіру, які були розміщені на плоскій мідній підкладці. Циклічні молекули краун-ефіру мають унікальну структуру з центральним кільцем, яке може утримувати різноманітні атоми, молекули та іони.
Механізм стабілізації та молекулярного руху
Професор Ямада пояснює: «Раніше ми виявили, що циклічні молекули краун-ефіру можуть утворювати одношарову плівку на плоских металевих підкладках. Цей моношар затримує іони амонію молекул Fc-amm у центральному кільці молекул краун-ефіру, запобігаючи розкладанню фероцену, діючи як щит проти металевої підкладки».
Потім команда помістила зонд скануючої тунельної мікроскопії (STM) поверх молекули Fc-amm і застосувала електричну напругу, яка спричинила бічний ковзаючий рух молекул. Зокрема, коли прикладається напруга −1,3 вольта, дірка (вільний простір, залишений електроном) входить в електронну структуру іона Fe, переводячи його зі стану Fe2+ в Fe3+. Це викликало обертання вуглецевих кілець, що супроводжувалося бічним ковзанням молекули. Розрахунки теорії функціоналу густини показали, що це поперечне ковзання відбувається через кулонівське відштовхування між позитивно зарядженими іонами Fc-amm. Важливо, що коли напруга припиняється, молекула повертається у вихідне положення, демонструючи, що рух є оборотним і ним можна точно керувати за допомогою електричних сигналів.
«Це дослідження відкриває захоплюючі можливості для молекулярних механізмів на основі фероцену. Їх здатність виконувати спеціальні завдання на молекулярному рівні може призвести до революційних інновацій у багатьох наукових і промислових галузях, включаючи точну медицину, інтелектуальні матеріали та передове виробництво», — говорить професор Ямада, підкреслюючи потенційні застосування їх технології.
Таким чином, це дослідження представляє вирішальний прорив у розробці та контролі молекулярних машин, який може призвести до значних успіхів у багатьох галузях.