С помощью технологии "снизу-вверх", копирующей природу, нанотехнологии позволяют собирать сложные наноустройства на молекулярном уровне. Один из способов движения молекул вдоль поверхности при создании новых функциональных схем предполагает использование электронов с наконечника сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Однако из-за передачи энергии между наконечником и поверхностью химреагент затрагивает много сложных взаимосвязей. Поэтому понимание даже самых простых реакций становится весьма кропотливым и сложным делом.
Результаты недавнего эксперимента могут сделать доступной сборку молекулярных устройств даже для неспециалистов. Кента Мотобаяши (Kenta Motobayashi) и Юсу Ким (Yousoo Kim) из Института передовой науки Рикен ( RIKEN Advanced Science Institute) в г. Вако (Япония) вместе с коллегами разработали математическую формулу, описывающую процесс того, как молекулярные колебания, вызванные СТМ, сочетаются с динамическим движением по поверхности, позволяющую точно подсчитать объем энергии и количество электронов, необходимых для начала движения одной молекулы.
Когда ученые с помощью СТМ производят прямонаправленное движение молекул (например, производя скачки оксида углерода (СО) на палладиевой поверхности), они понимают, что успех движения сильно зависит от приложенного напряжения. В случае с оксидом углерода причина в том, что для скачкообразного движения нужен туннелирующий электрон, вызывающий особые валентные колебания. В диапазоне напряжения, соответствующего этой колебательной энергии, скачки СО могут увеличиваться экспоненциально (в геометрической прогрессии), порождая так называемый «спектр действия»: кривые движения зависят от напряжения, а их очертания соответствуют специфическим поверхностным реакциям.
Ученые хотели раскрыть микромеханизмы, стоящие за вызываемой СТМ диффузией, предложив формулу, объединяющую движение и эффективность переноса энергии, необходимой для возбуждения колебательной реакции, одновременно учитывая тепловое взаимодействие. Использование формулы для спектра действия СО показало точные величины критических свойств реакции, таких как энергия колебаний и константа скорости реакции, потому что спектральные кривые были крайне чувствительны к малейшим изменениям соответствующих параметров.
После анализа более сложного движения молекул бутена на палладии (этот процесс включает множественное возбуждение), новое уравнение доказало свою универсальность. Анализ спектра действия бутена показал наличие трех различных колебаний и дал возможность вычислить порядок реакции – базовый химический признак, который определяет количество туннелирующих электронов, необходимых для начала поверхностного движения.
По словам Мотобаяши, удивительные возможности этой простой методики расширят практику применения нанотехнологии типа «снизу-вверх». «Основанная на СТМ спектроскопия, которая может точно выявлять химические вещества благодаря нашей спектральной настройке, обещает оказать существенное содействие технологии создания молекулярных устройств», - заявил он.
ето и есть молекулярная нанотехнология