Исследователи из Германии в сотрудничестве со своими коллегами из Национального центра нанонауки и технологий (NCNST) Китая впервые смогли заставить галогенированные «молекулы-шарики» производить длинноцепочечные мобильные полимеры на металлических поверхностях. Об этом сообщает сайт Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
N-гетероциклические карбены (NHC) представляют собой небольшие реакционноспособные кольцевые молекулы, которые хорошо связываются с металлическими поверхностями, чем за последние годы привлекли большой интерес исследователей в области стабильной химической модификации металлических поверхностей.
Ученые из Мюнстерского университета в Германии несколько лет назад выявили способность некоторых производных NHC не только прикрепляться к отдельным атомам металла, но и полностью извлекать отдельный атом с поверхности (так называемый адатом). В привязке к таким атомам NHC свободно скользят по поверхности – как шарик-бот, то есть наноробот, который движется по сфере.
Используя такие «молекулы-шарики» и сотрудничая с исследователями нанотенологий из КНР, мюнстерским физикам и химикам впервые удалось заставить галогенированные NHC производить длинноцепочечные мобильные полимеры (то есть цепочки молекул) на металлических поверхностях.
NHC со свойствами шарика-бота открывает новые возможности, например, самосборку в высокоупорядоченные домены из молекул этого типа, вплоть до реализации ими роевого поведения, при автономном преобразовании определенных металлических поверхностей в различные высокоупорядоченные структуры без какого-либо внешнего воздействия, такого как свет или электроны.
«Помимо самоорганизации, эти шариковые полимеры открывают большие перспективы для новых применений в наноэлектронике, поверхностной функционализации и катализе», – отметил Харальд Фукс, профессор Института физики Мюнстерского университета и научный директор Центра нанотехнологий (CeNTech) в Мюнстере.
NHC можно легко модифицировать по группам азота (N) пятикратного гетероциклического тела молекул. В результате это позволяет не только влиять на электронное взаимодействие карбенов с атомами металлической поверхности (например, золота), но и управлять расположением карбенов вертикально или параллельно поверхности.
Одной из особенностей используемых галогенированных NHC, которые были разработаны в Институте органической химии Мюнстерского университета, является их способность спонтанно образовывать адатомы благородных металлов и возникающая в результате подвижность. Это является предпосылкой их соединения и реакции с другими реактивными системами на поверхности.
С одной стороны, мономеры могут легко перемещаться по поверхности благодаря своим свойствам шарика; с другой стороны, время контакта, которое имеют стороны реакции, должно быть достаточно продолжительным, чтобы реакция произошла. Это происходит, прежде всего, за счет молекулярной структуры и подходящего температурного режима во время эксперимента.
С этой целью исследователи из CeNTech, NCNST и Пекинского национального центра физики конденсированных сред использовали методы сканирующей зондовой микроскопии, а также фотоэмиссионную спектроскопию, чтобы выяснить происходящие химические связи и предоставить доказательства конструкции шарового наноробота. Экспериментальные результаты были дополнены и подтверждены сложным компьютерным моделированием в Институте теории твердого тела Мюнстерского университета, основанным на подходах квантовой механики и полях реактивных сил.
Наноструктурированные поверхности, подобные полученным в данном исследовании, позволяют контролировать не только выравнивание, но и избирательное геометрическое расположение продуктов реакции или получаемых полимеров.
Исследователи также подчеркивают: прецизионная химия поверхностей на сегодняшний день выделилась в отдельную область химии. В отличие от традиционной химии, это направление требует условий сверхвысокого вакуума и, зачастую, низких температур (до минус 268 градусов Цельсия), чтобы избежать любого непреднамеренного загрязнения и обеспечить возможность наблюдение химических промежуточных стадий на молекулярном уровне.