每日科学报道,在纳米世界,很多事情是不一样的。科学家们最近开始揭示和利用隐藏的规律和原理。德国慕尼黑大学物理系的约翰·巴斯(Johannes Barth)教授参与的一个研究小组,成功制成了棒状分子,是在一个二维网格中制成,具体方式是,这些分子形成微型转子,在它们的蜂巢状笼子中转动。
自然本身提供了这样的角色模型,就是这种自组织系统。蛋白质就是这样使反应物靠在一起,从而使反应可以发生,因为这些反应要发生,就只有非常靠近。这些效果都用在了催化剂上:表面的反应物会找到自己的途径,以相互靠近,就在这些诱导剂的表面。然而,梦寐以求的是,利用自组织效果达到这样一种境界,就是纳米机器可以自行组装,这仍然是属于未来的事。
这一转子开发出来了,就是在德国慕尼黑工业大学加兴校区(Garching)开发的,这就朝这个方向迈出了很重要的一步。第一,物理学家建立了广延性的纳米格栅,让钴(cobalt)原子和对六联苯-二甲腈(sexiphenyl-dicarbonitrile)的棒状分子彼此反应,在银表面反应。这样就形成了蜂窝状的格栅,极端规整,惊人稳定。就像石墨烯一样,石墨烯的发现者获得了诺贝尔奖,就是几个星期前的事,这种格栅,准确地说,也是只有一个原子厚。
研究者加上进一步的分子构建模块,这些棒就自发聚集,典型方式是三个一组,就在一个蜂窝状小孔之中,而相邻小孔则是空的。这些亲密的分子一定有某种理由,所以在组织它们自己的时候,是三个一组。在扫描穿隧显微镜(scanning tunneling microscope)下,科学家就能够搞清为什么,三分子在定位它们自己时,具有这样一种方式,就是氮原子在定位结束时,每个都面对着一个苯环(phenyl-ring)氢原子。这种三个叶片转子的安排是如此积极有利,以致于分子可以保持这种结构,即使在热能使它旋转时,也是这样。
因为蜂巢状小孔不是圆的,而是六角形的,所以,转子就有两种不同的姿势,可以明确区分,这是源自一种相互作用,就是外面的氮原子和小孔壁的氢原子之间的相互作用。此外,这三个分子的排列,有顺时针方式,也有逆时针方式。在实验中,仔细控制不同的温度,物理学家就能够“冻结”所有四种状态,精密检测它们。他们从而可以确定这些阈值能量,就是旋转恢复时的温度。
“我们希望,在未来,我们将能把这些简单的力学模型,用到光学或电子开关中,”约翰·巴特教授说:“我们可以设定特定小孔的大小,分别放入更多的分子,并且研究它们与表面及小孔壁的相互作用。这些自组织结构有巨大的潜力。”
科学家发明自组装纳米转子
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