Понимание молекулярного движения на поверхностях на наноуровне

В течение многих лет учёные были заинтригованы тем, как молекулы движутся по поверхности. Этот процесс имеет решающее значение для многих приложений, включая катализ и производство наноразмерных устройств.

Теперь, используя эксперименты по нейтронной спектроскопии, проведенные в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL), а также передовые теоретические модели и компьютерное моделирование, группа под руководством Антона Тамтогля из Технологического университета Граца открыла уникальное движение трифенилфосфина (PPh).₃) молекулы на графитовых поверхностях, поведение похожее на наноскопический лунный посадочный модуль.

Работа опубликована в журнале Химия связи.

На самом деле, ПФ₃ Молекулы демонстрируют удивительную форму движения, вращаясь и перемещаясь таким образом, что бросают вызов предыдущим представлениям. Кажется, что этому движению, подобному движению лунного корабля, способствует их уникальная геометрия и трехточечная связь с поверхностью.

«Погружение в сложный мир молекулярного движения на графитовых поверхностях было захватывающим путешествием», — рассказывает Антон Тамтогль. «Измерения и моделирование раскрыли сложное движение и «танец» молекул, предоставив нам более глубокое понимание динамики поверхности и открыв новые горизонты для материаловедения и нанотехнологий».

Трифенилфосфин — важная молекула для синтеза органических соединений и наночастиц, имеющая многочисленные промышленные применения. Молекула имеет своеобразную геометрию: PPh.₃ имеет пирамидальную форму с расположением трех циклических групп атомов, напоминающим пропеллер.

Нейтроны открывают уникальные возможности в изучении структуры и динамики материалов. В типичном эксперименте нейтроны, рассеянные образцом, измеряются в зависимости от изменения их направления и энергии. Благодаря своей низкой энергии нейтроны являются отличным зондом для изучения низкоэнергетических возбуждений, таких как вращение молекул и диффузия. Измерения нейтронной спектроскопии проводились на ILL Instruments IN5 (TOF-спектрометр) и IN11 (нейтронный спин-эхо-спектрометр).

«Удивительно видеть, как мощные спектрометры ILL позволяют нам следить за динамикой этих удивительных молекулярных систем, даже если количество образца крошечное», — говорит ученый ILL Питер Фуке. «Нейтронные лучи не разрушают эти чувствительные образцы и позволяют провести идеальное сравнение с компьютерным моделированием».

Исследование показывает, что PPh₃ Молекулы взаимодействуют с поверхностью графита таким образом, что позволяют им двигаться с удивительно низкими энергетическими барьерами. Движение характеризуется вращениями и перемещениями (прыжковыми движениями) молекул. В то время как вращения и внутримолекулярное движение доминируют примерно до 300 К, молекулы совершают дополнительное поступательное скачкообразное движение по поверхности при температуре 350–500 К.

Понимание детальных механизмов молекулярного движения на наноуровне открывает новые возможности для производства современных материалов с индивидуальными свойствами. Помимо фундаментального интереса, движение ППФ₃ и родственных соединений на графитовых поверхностях имеет большое значение для практических целей.