Wetenschappers draaien op verzoek een enkel molecuul met de klok mee of tegen de klok in

Het beheersen van de rotatie van dit molecuul kan leiden tot nieuwe technologieën voor micro-elektronica, kwantumcomputing en meer.

Je kunt een honkbal in je hand gemakkelijk ronddraaien door je vingers te draaien. Maar je hebt inventieve wetenschappers nodig met toegang tot wetenschappelijke faciliteiten van wereldklasse om een ​​object te roteren dat slechts twee miljardste van een meter breed is. Dat is een miljoen keer kleiner dan een regendruppel.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) melden dat ze een enkel molecuul dat zo klein is precies kunnen roteren als dat nodig is. Het belangrijkste ingrediënt is een enkel atoom europium, een zeldzaam aardelement. Het rust in het centrum van een complex van verschillende atomen en geeft het molecuul vele potentiële toepassingen.

“We zijn in staat om dit europiumcomplex 60 of 120 graden naar rechts of links te draaien”, zegt Saw Wai Hla, natuurkundige bij het Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Argonne, en een fysica hoogleraar aan de Universiteit van Ohio. “Het vermogen om de beweging van een zeldzame-aardecomplex zoals dit te beheersen, kan van invloed zijn op een breed spectrum aan technologieën.” Dat omvat micro-elektronica van de volgende generatie, kwantumtechnologieën, katalyse om reacties te versnellen, omzetting van licht in elektriciteit en meer.

De term “zeldzame aarde” is misleidend. De zeldzame aardmetalen zijn niet bepaald zeldzaam, maar zijn kritische materialen die in veel elektronische apparaten worden gebruikt, zoals mobiele telefoons, harde schijven van computers, zonnepanelen en flatscreens. De mogelijkheid om dit europium-molecuul op verzoek te roteren, zou hun toepassingen kunnen uitbreiden naar micro-elektronica van de volgende generatie die met een relatief laag vermogen werkt, kwantumcomputers en meer.

Zeldzame aardmetalen combineren gemakkelijk met andere elementen in de aardkorst. Het is dus moeilijk en kostbaar om pure zeldzame aardmetalen voor apparaten te produceren. Het is ook duur om ze te oogsten uit afval dat zeldzame aardmetalen bevat. Het europiumcomplex van het team zou de hoeveelheid zeldzame aardmetalen die nodig is voor een bepaald apparaat verminderen en zou veel goedkoper zijn om in grote hoeveelheden te produceren.

Sleutelcomponenten in het complex zijn een enkel europiumatoom met positieve lading en twee kleine moleculen met negatieve lading. Het europiumatoom bevindt zich in het midden van het complex, terwijl een van de kleine moleculen zich aan de zijkant bevindt en de andere aan de onderkant.

Omdat tegenpolen elkaar aantrekken, houden deze negatieve en positieve ladingen deze componenten bij elkaar zonder dat er een chemische binding nodig is. En het kleine molecuul aan de onderkant verankert het complex aan een blad goud. Dit blad fungeert als een tafel om het hele complex op één plek te houden, net zoals je een plat, stevig oppervlak nodig hebt om een ​​fles te laten draaien.

“Normaal gesproken, als je een complex zoals het onze met positieve en negatieve ladingen op een metalen plaat bevestigt, verdwijnen de ladingen,” zei Hla. “Dus we waren heel blij toen dat hier niet gebeurde. Onze berekeningen gaven aan dat de atomen in het complex rond het europiumatoom fungeren als een isolator die voorkomt dat de ladingen naar de goudlaag verdwijnen.”

De twee negatief geladen moleculen in het complex werken samen om als controle-eenheid te fungeren. Om de rotatie op gang te brengen, paste het team elektrische energie toe op een specifiek punt op het complex via de punt van een instrument dat een scanning tunneling-microscoop wordt genoemd. Deze sonde regelt niet alleen de rotatie, maar kan ook het complex visualiseren voor studie.

Bij een temperatuur van 100 Kelvin (minus 208 Fahrenheit) draait het teamcomplex constant rond. Die rotatie stopt wanneer ze de temperatuur verlagen tot een ultrakoude 5 K. Door de elektrische energie toe te passen, begint de gewenste rotatie van 60 of 120 graden, met de klok mee of tegen de klok in, afhankelijk van waar het elektrische veld op gericht is.

“Het ontwikkelen, fabriceren en testen van dit complex op nanoschaal zou niet mogelijk zijn geweest zonder de unieke instrumenten in CNM,” zei Hla.

Bovendien leverde een bundellijn (XTIP) in de Advanced Photon Source, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Argonne, de zeer briljante röntgenstraal die nodig was om vast te stellen dat het enkele europiumatoom een ​​positieve lading had. “XTIP is ’s werelds eerste bundellijn gewijd aan de techniek van synchrotron X-ray scanning tunneling microscopie”, zegt Volker Rose, een natuurkundige uit Argonne met een gezamenlijke aanstelling aan de Ohio University.

“Met de XTIP-bundellijn waren we in staat om de elementaire en chemische toestanden van het europium-bevattende molecuul te karakteriseren”, zei assistent-natuurkundige Nozomi Shirato. Deze gegevens stelden vast dat het enkele europiumatoom in het molecuul een positieve lading heeft van plus drie en die lading niet verliest wanneer het wordt geabsorbeerd op het goudoppervlak. Dit behoud van de ladingstoestand is de sleutel tot het vermogen om het molecuul te roteren.

“Onze primaire missie is om op het niveau van atomen de eigenschappen van zeldzame aardmetalen te begrijpen, die kritieke materialen zijn voor de Amerikaanse industrie”, voegde Hla eraan toe. “Dit specifieke project kan een gunstige invloed hebben op veel verschillende technologieën die nu bestaan ​​of kunnen worden ontwikkeld.”

Dit onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.