При поиске материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для таких применений, как хранение газа, теплоизоляторы или динамические наносистемы, важно понимать термическое поведение вещества вплоть до молекулярного уровня. Классическая термодинамика усредняет по времени и по большому количеству молекул. В трехмерном пространстве отдельные молекулы могут принимать почти бесконечное количество состояний, что делает оценку отдельных видов практически невозможной.
Теперь исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) и Университета Линкопинга (LIU) разработали методологию, которая позволяет исследовать равновесную термодинамику отдельных молекул с атомным разрешением при заметных температурах.
Это революционное исследование основано на двух принципах: технологии, позволяющей удерживать молекулы внутри двумерных нанопор, и обширном вычислительном моделировании.
На кафедре молекулярной нанонауки и химической физики интерфейсов ТУ Мюнхен под руководством проф. Доктор. Йоханнес V. Барт, доктор медицинских наук.
Флориан Клаппенбергер разработал метод получения высококачественных металлоорганических сетей на серебряной поверхности. Сеть образует нанопоры, которые ограничивают свободу движения адсорбированных одиночных молекул в двух измерениях.
Используя сканирующую туннельную микроскопию, исследователи смогли отслеживать их движения при различных температурах с субнанометровым разрешением.
Параллельно с экспериментами исследователи работали со сложными компьютерными моделями, чтобы описать температурную зависимость динамики этих одиночных захваченных молекул. «Мы применили современные суперкомпьютерные вычисления, чтобы понять взаимодействие и энергетический ландшафт, определяющий движение молекул», — говорит Йонас Бьорк из Университета Линчепинга.
Сравнивая экспериментальные и смоделированные данные, ученые выяснили, что при определенных условиях интегральная теория приближается к простой проекции положения молекул в пространстве. Этот подход является центральным в статистической механике, но перед ним никогда не ставилась задача воспроизвести эксперимент из-за практически бесконечных положений молекул и энергий, которые необходимо учитывать без ограничения в наномасштабе.
«Было чрезвычайно интересно использовать двумерные сети в качестве стратегии ограничения, чтобы уменьшить доступное конформационное пространство отдельной молекулы, как это делает шаперон с белком», — говорит д-р.
Карлос-Андрес Пальма, ведущий автор исследования. "По аналогии с биологией, такая форма технологии удержания может создать сенсоры, наномашины и, возможно, логику, управляемую молекулярными распределениями и состоящую из них."
Применяя свои знания о характерных равновесных конфигурациях, исследователи тщательно модулировали нанопору, заставляя одну молекулу писать буквы алфавита, такие как L, I и U, просто путем точной настройки температуры.
Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом (ERC Advanced Grant MolArt) и Шведским исследовательским советом. Шведский национальный суперкомпьютерный центр предоставил суперкомпьютерные ресурсы.
Исследовательская группа профессора Барта является членом Исследовательского центра катализа (CRC) ТУМ.