異なる形状の熱活性化金基板上のフラーレンの動きの調査

Sep 12, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14397 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現在の研究では、特定の温度範囲におけるさまざまな形状の基板上のフラーレン分子の運動領域が研究されています。 これを行うために、古典的な分子動力学法を使用してフラーレン分子の位置エネルギーが分析されました。 C20、C36、C50、C60、C72、C76、C80、およびC90のフラーレン分子は、異なるサイズの球形であるため選択されました。 さらに、これらの分子の挙動を完全に解析するために、平坦、凹面、ステップの上面（上向きステップ）、およびステップの下面（下向きステップ）基板を含むさまざまな金基板を検討しました。 さまざまな温度での運動の状況を特定することが、この研究の主な目的の 1 つです。 この目的のために、私たちはフラーレン分子の並進運動と回転運動を独立して研究しました。 研究の最初のステップでは、フラーレン分子のレナード・ジョーンズ位置エネルギーが計算されました。 その後、さまざまなフラーレンの運動領域が、それらの変位と滑り速度に基づいて分類されました。 私たちの調査結果は、C60 が \(5\%\) 未満の条件で適切であることを示しました。 ただし、C20、C76、および C80 分子は、さまざまな条件においてほとんどの場合に適切な候補であることが判明しましたが、これらが適切でなかったのは 7 つの状況のみでした。 直線の動きを考慮する限り、凹面形状は他の基板と比較して優れたパフォーマンスを示しました。 さらに、C72 は、可動範囲と拡散係数に関してあまり好ましくないパフォーマンスを示しました。 全体として、私たちの調査は、金基板上のさまざまなフラーレン分子の性能を理解し、特にナノマシン構造のホイールとしての応用可能性を見つけるのに役立ちます。

ナノロボットの急速な発展のおかげで、ナノスケールの材料の操作は、さまざまな技術目標にとってますます魅力的になってきています。 近年、ナノサイズの粒子を運ぶためのかなりの数の輸送メカニズムが提案されています1。 しかし、これらのアプローチのほとんどは、いくつかの理由により機能しませんでした。 まず、実際に作成されたすべてのナノマニピュレーターは、そのペイロードよりも数桁大きく、これは自然のナノマニピュレーターの性能に反しています 1,2。 自然界では、同程度かそれより小さい分子でも原子や分子を輸送することができます。 たとえば、キネシンは、非常に大きなペイロードを適切に輸送できる小さなタンパク質です3,4。 第二に、多数の粒子を同時に処理することができません2。

ジェームス・ツアーら彼らは、他のナノスケール物質を輸送することを目的として、いくつかの分子モーターを組み立てました5、6、7、8、9。 これらの製造された分子機械は、研究者の間で実際の自動車に似ているため、ナノカー、ナノトラック、またはその他の名前が付けられています2、6、10。 車輪の形状や数が異なるさまざまなナノマシンが開発されています。 第一世代の合成ナノカーは、フラーレンホイールの助けを借りて移動しました 11,12。 C60 はよく知られた分子であり、さまざまな基板上での移動性が多くの実験研究や計算研究で実証されています 12、13。 さらに、グラフェン、シリコン、および金基板上の C60 の動きは以前に研究されています 14、15、16、17。 しかし、フラーレンホイール付きナノカーは、その安定性と導電性により、金基板上でより有益な性能を示しています13。 これらのナノマシンに関する以前の研究では、C60 を車輪として持つ 4 つまたは 3 つの車輪を持つナノマシンが大幅に作製されました。 Vaezi et al.18 は、さまざまな温度における窒化ホウ素基板上の C60 分子の動きを調査しました。 彼らは、温度が上昇するにつれて、横揺れ運動よりも横揺れ運動の方が重要になり、運動の範囲と拡散係数が大きくなることを示しました。 C60 の研究は進歩しているにもかかわらず、他のフラーレンの運動様式は詳細には研究されていません。 したがって、さまざまな基板上の他のフラーレン分子の移動性を調査して、それらの偶発的な用途を評価することが広範囲に必要であると思われる。 例えば、Wang et al.19 は、グラフェン基板上の C60、C72、C180、C240、および C260 フラーレンの動きを調査しました。 彼らは、すべての分子が最大速度で基板の端に到達し、その時点で変動し始めることを実証しました。 したがって、これらの分子は、高周波ナノスイッチ、ナノ粒子輸送、またはナノロボットコンポーネントの構築に利用できる可能性があります。