Преодолеть этот барьер учёным удалось путём стабилизации молекул ферроцена на поверхности меди с использованием специальной молекулярной плёнки из краун-эфиров. Краун-эфир — это циклическая молекула, способная захватывать различные атомы и ионы в своём центре. Исследовательская группа использовала краун-эфиры для создания стабильной однослойной пленки на медной подложке, после чего внедрила туда модифицированные молекулы ферроцена, содержащие ион аммония (Fc-amm).
«Мы впервые смогли зафиксировать молекулы ферроцена на плоской металлической подложке, используя краун-эфир как защитный слой, который предотвращает разрушение ферроцена», — комментирует профессор Ямада. Эта стабилизация позволила учёным наблюдать и контролировать движение молекул ферроцена с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
Изменения в электронном состоянии иона железа внутри ферроцена (с Fe²⁺ на Fe³⁺) вызывают поворот углеродных колец на 36 градусов относительно друг друга. Именно эта особенность делает ферроцен идеальным кандидатом для создания молекулярных механизмов, управляемых внешними сигналами.
Работа, опубликованная в журнале Small, открывает новые горизонты в создании наноразмерных устройств, способных выполнять сложные задачи на молекулярном уровне. Такие молекулярные машины могут найти применение в самых разных сферах, от медицины и катализа до разработки новых материалов и электроники.
После размещения зонда сканирующей туннельной микроскопии (STM) над молекулой Fc-amm исследователи подали электрическое напряжение, вызвав боковое скольжение молекулы. Когда напряжение достигло значения −1,3 вольт, в электронной структуре иона железа образовалась дырка, переведя его из состояния Fe²⁺ в состояние Fe³⁺. Это привело к повороту углеродных колец и последующему боковому движению молекулы. Теоретические расчеты методом функционала плотности подтвердили, что такое движение вызвано кулоновским отталкиванием между положительно заряженными ионами Fc-amm.
Важно отметить, что после снятия напряжения молекула возвращалась в своё первоначальное положение, показывая, что её движение полностью обратимо и может быть точно управляемо посредством электрических сигналов.
«Эти результаты открывают потрясающие перспективы для молекулярного машиностроения на основе ферроцена, — отметил профессор Ямада. — Способность этих молекул выполнять специфические задачи на молекулярном уровне обещает революционные изменения в медицине, разработке умных материалов и высокотехнологичном производстве».
Источник: https://scitechdaily.com/scientists-unveil-worlds-smallest-molecular-machine/
