相互競爭的量子相互作用使單個(gè)分子能夠站起來

納米級機(jī)械有很多用途，包括藥物輸送、單原子晶體管技術(shù)或內(nèi)存存儲(chǔ)。然而，機(jī)器必須在納米級組裝，這對研究人員來說是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

對于納米技術(shù)工程師來說，最終目標(biāo)是能夠在納米尺度上逐個(gè)組裝功能機(jī)械。在宏觀世界中，我們可以簡單地抓取物品來組裝它們。不再“抓住”單個(gè)分子并非不可能，但它們的量子性質(zhì)使它們對操縱的反應(yīng)不可預(yù)測，限制了一個(gè)一個(gè)地組裝分子的能力。由于德國亥姆霍茲學(xué)會(huì)Jülich 研究中心領(lǐng)導(dǎo)的國際努力，包括華威大學(xué)化學(xué)系的研究人員，這一前景現(xiàn)在離現(xiàn)實(shí)更近了一步。

在2021 年 11 月10日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的論文“常設(shè)分子的穩(wěn)定潛力”中，一個(gè)國際研究小組已經(jīng)能夠揭示單個(gè)常設(shè)分子的一般穩(wěn)定機(jī)制，該機(jī)制可以用于表面三維分子器件的合理設(shè)計(jì)和構(gòu)建。

掃描探針顯微鏡 (SPM) 使分子尺度制造的愿景更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樗峁┝酥匦屡帕斜砻嬖雍头肿拥哪芰?，從而允許創(chuàng)建不會(huì)自發(fā)形成的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。使用 SPM，Christian Wagner 博士和他的團(tuán)隊(duì)能夠與表面上的單個(gè)固定分子苝-四羧酸二酐 (PTCDA) 相互作用，以研究熱穩(wěn)定性和分子將不再穩(wěn)定并回落到它的自然狀態(tài)，它吸附在表面上。該溫度為 -259.15 攝氏度，僅比絕對零溫度點(diǎn)高 14 度。

與華威大學(xué)化學(xué)系 Reinhard Maurer 博士合作進(jìn)行的量子化學(xué)計(jì)算能夠揭示分子的微妙穩(wěn)定性源于兩種強(qiáng)大的抵消量子力的競爭，即來自表面和由分子和表面之間的錨點(diǎn)產(chǎn)生的短程恢復(fù)力。

華威大學(xué)化學(xué)系Reinhard Maurer 博士評論道：

“防止分子翻倒的相互作用平衡非常微妙，對我們的量子化學(xué)模擬方法來說是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。除了教我們穩(wěn)定這種不尋常的納米結(jié)構(gòu)的基本機(jī)制外，該項(xiàng)目還幫助我們評估和改進(jìn)我們方法的能力。”

來自 Jülich 研究中心的 Peter Grünberg 量子納米科學(xué)研究所 (PGI-3) 的 Christian Wagner 博士評論道：

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