کوچکترین ماشین مولکولی: حرکت لغزشی برگشت‌پذیر فرروسن

ماشین‌های مولکولی مصنوعی: انقلابی در علم مواد

ماشین‌های مولکولی مصنوعی، که از چند مولکول تشکیل شده و در مقیاس نانو عمل می‌کنند، پتانسیل ایجاد تغییرات عمده‌ای در زمینه‌های کاتالیزورها، الکترونیک مولکولی، داروها و مواد کوانتومی را دارند. این ماشین‌ها با تبدیل محرک‌های خارجی، مانند سیگنال‌های الکتریکی، به حرکت مکانیکی در سطح مولکولی عمل می‌کنند.

فروسن، یک مولکول خاص به شکل درام که از یک اتم آهن (Fe) بین دو حلقه کربنی پنج‌عضوی تشکیل شده است، به عنوان یک مولکول بنیادی امیدوارکننده برای ماشین‌های مولکولی شناخته می‌شود. کشف این مولکول در سال 1973 جایزه نوبل شیمی را به ارمغان آورد و از آن زمان به عنوان یک پایه در مطالعه ماشین‌های مولکولی مطرح شده است.

آنچه فروسن را جذاب می‌کند، ویژگی منحصر به فرد آن است: تغییر در حالت الکترونیکی یون Fe، از Fe²⁺ به Fe³⁺، باعث می‌شود که دو حلقه کربنی آن به اندازه حدود 36 درجه حول محور مولکولی مرکزی بچرخند. کنترل این حالت الکترونیکی با یک سیگنال الکتریکی خارجی می‌تواند امکان چرخش دقیق مولکولی را فراهم کند.

با این حال، یکی از موانع اصلی در کاربرد عملی آن، تجزیه آسان فروسن هنگام جذب روی سطح زیرلایه‌ها، به ویژه زیرلایه‌های فلزات نجیب صاف، در دمای نزدیک به اتاق و حتی در شرایط خلاء فوق‌العاده است. تا کنون، روشی قطعی برای لنگر انداختن مولکول‌های ایزوله فروسن بر روی یک سطح بدون تجزیه پیدا نشده است.

پیشرفت‌های جدید در ماشین‌های مولکولی

در یک مطالعه پیشگامانه، تیم تحقیقاتی به رهبری استاد یامادا تویو کازو از دانشکده مهندسی دانشگاه چیبا در ژاپن، شامل پروفسور پیتر کروگر از دانشکده مهندسی دانشگاه چیبا، پروفسور ساتوشی کِرا از مؤسسه علوم مولکولی ژاپن و پروفسور ماساکی هوریه از دانشگاه ملی تسینگ‌هوا در تایوان، موفق به غلبه بر این چالش شده‌اند. آن‌ها توانسته‌اند کوچک‌ترین ماشین مولکولی کنترل‌شده با الکتریسیته در جهان را ایجاد کنند.

استاد یامادا می‌گوید: “در این مطالعه، ما موفق شدیم مولکول‌های فروسن را بر روی یک سطح فلز نجیب تثبیت و جذب کنیم، با پوشش اولیه آن با یک فیلم مولکولی اتر تاج دو بعدی. این اولین شواهد تجربی مستقیم از حرکت مولکولی مبتنی بر فروسن در مقیاس اتمی است.”

نتایج تحقیقات در مجله Small

یافته‌های این تیم در تاریخ 30 نوامبر 2024 در مجله Small منتشر شد. برای پایدارسازی مولکول‌های فرروسین، تیم ابتدا با افزودن نمک‌های آمونیوم، این مولکول‌ها را تغییر داد و نمک‌های آمونیوم فرروسین (Fc-amm) را تشکیل داد. این تغییرات باعث بهبود دوام و اطمینان از اینکه مولکول‌ها به‌طور ایمن بر روی سطح زیرلایه ثابت شوند، گردید.

استفاده از مولکول‌های حلقوی اتر تاج

این مولکول‌های جدید سپس بر روی یک فیلم تک لایه که از مولکول‌های حلقوی اتر تاج تشکیل شده بود، تثبیت شدند. این فیلم بر روی یک زیرلایه مسی صاف قرار گرفت. مولکول‌های حلقوی اتر تاج دارای ساختار منحصر به فردی هستند که یک حلقه مرکزی را در بر می‌گیرد و می‌تواند انواع مختلفی از اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌ها را در خود نگه دارد. پروفسور یامادا توضیح می‌دهد: “قبلاً متوجه شدیم که مولکول‌های حلقوی اتر تاج می‌توانند یک فیلم تک لایه بر روی زیرلایه‌های فلزی صاف تشکیل دهند. این فیلم تک لایه یون‌های آمونیوم مولکول‌های Fc-amm را در حلقه مرکزی مولکول‌های اتر تاج به دام می‌اندازد و از تجزیه فرروسین با عمل به عنوان یک سپر در برابر زیرلایه فلزی جلوگیری می‌کند.”

حرکت مولکول‌ها با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی

سپس تیم یک پروب میکروسکوپ تونل زنی (STM) را بر روی مولکول Fc-amm قرار داد و ولتاژ الکتریکی را اعمال کرد که باعث حرکت جانبی مولکول‌ها شد. به‌طور خاص، با اعمال ولتاژ منفی 1.3 ولت، یک حفره (فضای خالی باقی‌مانده از یک الکترون) وارد ساختار الکترونیکی یون Fe می‌شود و آن را از حالت Fe2+ به Fe3+ تغییر می‌دهد. این تغییر حالت باعث چرخش حلقه‌های کربنی همراه با حرکت جانبی مولکول می‌شود. محاسبات نظریه تابع چگالی نشان داد که این حرکت جانبی به دلیل دافعه کولنی بین یون‌های Fc-amm با بار مثبت رخ می‌دهد.

کنترل دقیق حرکت مولکول‌ها

مهم است که با حذف ولتاژ، مولکول به موقعیت اصلی خود بازمی‌گردد که نشان می‌دهد این حرکت قابل برگشت است و می‌توان آن را به‌طور دقیق با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی کنترل کرد. پروفسور یامادا می‌گوید: “این مطالعه امکانات هیجان‌انگیزی را برای ماشین‌آلات مولکولی مبتنی بر فرروسین باز می‌کند. توانایی آن‌ها در انجام وظایف خاص در سطح مولکولی می‌تواند به نوآوری‌های انقلابی در بسیاری از زمینه‌های علمی و صنعتی، از جمله پزشکی دقیق، مواد هوشمند و تولید پیشرفته منجر شود.”