Создан молекулярный переключатель, активируемый толчком наноразмерного “пальца”

Всем известно, какое усилие надо приложить к выключателю, чтобы включить или выключить свет в комнате. Но пока еще никто не может сказать тоже самое относительно молекулярного выключателя, существующего в наноразмерном мире. Ответ на этот вопрос имеет отношение не только к фундаментальной науке, но и к области применения различных молекулярных устройств в недалеком будущем, и ответ на него попытались найти исследователи из Международного центра физики в Доностия-Сан-Себастьян, Испания, института Макса Планка, Германия, Ливерпульского университета и польской Академии Наук. Совместными усилиями этих ученых был создан выключатель на базе единственной молекулы, а в роли “пальца”, толкающего этот выключатель, выступил заостренный до атомарной величины наконечник современного сканирующего микроскопа.

В роли выключателя выступала органическая молекула порфицена (porphycene), адсорбированная на поверхности медной подложки, а активными элементами выключателя являлись атомы водорода, входящие в состав молекулы. Острый наконечник микроскопа, близко подведенный строго к определенной части молекулы заставил атомы водорода “перескочить” из одного местоположения внутри молекулы в другое. Эта реакция носит название таутомеризации (tautomerization), она является одной из разновидностей обратимых изомерических реакций, в ходе которых молекулы одного вещества различной структуры (изомеры) легко переходят из одной формы в другую и обратно. Такие реакции играют важную роль в органической химии и биохимии, и они являются одним из “двигателей” молекулярных электронных устройств.Кроме “щелчков” молекулярным выключателем, исследователям удалось с высокой точностью измерить значение требующейся для этого силы. Надежность переключения выключателя зависела от точности позиционирования наконечника микроскопа, стоило наконечнику отклониться на расстояние 0.00000002 миллиметра, что составляет небольшую часть от длины водородной химической связи, как выключатель переставал срабатывать. Кроме этого, исследователи обнаружили то, что если наконечник микроскопа “венчает” атом постороннего инертного химического элемента, ксенона в данном случае, молекулярный переключатель также перестает срабатывать.

Срабатывание молекулярного переключателя фиксировалось как изменение частоты колебаний при движении наконечника микроскопа над молекулой. После этого факт переключения был подтвержден съемкой на уровне атомов, проведенной тем же сканирующим атомно-силовым микроскопом. Измеренная сила, которая требуется для срабатывания молекулярного переключателя, составляет приблизительно одного нано-Ньютона, что намного меньше силы, которая требуется для разрыва типичной ковалентной химической связи между двумя атомами.

В ходе исследований ученые произвели расчеты масштабных математических моделей с целью изучения механизма атомарного переключения, вызванного воздействием внешних сил. Результаты расчетов показали почти полное совпадение с экспериментальными данными и наглядно продемонстрировали все тонкости этого процесса. Исследователи подчеркивают, что изученная ими реакция, идущая под воздействием внешних сил, очень напоминает один из шагов распространенных каталитических процессов. Поэтому результаты данных исследований могут открыть путь новому направлению в изучении каталитического механизма на атомарном уровне, что, в свою очередь, может привести к разработке нового класса высокоэффективных катализаторов для процесса искусственного фотосинтеза, процесса гидролиза и т.п.