Studio del movimento del fullerene su substrati d'oro attivati ​​termicamente con forme diverse

Sep 12, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 14397 (2022) Citare questo articolo

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Nel presente studio è stato studiato il regime di movimento delle molecole di fullerene su substrati con forme diverse in un intervallo di temperature specifiche. Per fare ciò, l'energia potenziale delle molecole di fullerene è stata analizzata utilizzando il metodo classico della dinamica molecolare. Le molecole di fullerene C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 e C90 sono state selezionate per le loro forme sferiche con dimensioni diverse. Inoltre, per analizzare completamente il comportamento di queste molecole, sono stati considerati diversi substrati d'oro, inclusi substrati piatti, concavi, sul lato superiore del gradino (gradino ascendente) e sul lato inferiore del gradino (gradino discendente). Specificare il regime del moto a diverse temperature è uno degli obiettivi principali di questo studio. A questo scopo, abbiamo studiato in modo indipendente i movimenti traslazionali e rotazionali delle molecole di fullerene. Nella prima fase dell'indagine è stata calcolata l'energia potenziale di Lennard-Jones delle molecole di fullerene. Successivamente è stato classificato il regime di movimento dei diversi fullereni, in base al loro spostamento e alla velocità di scorrimento. I nostri risultati hanno indicato che C60 è appropriato in meno del \(5\%\) delle condizioni. Tuttavia, le molecole C20, C76 e C80 si sono rivelate candidate appropriate nella maggior parte dei casi in condizioni diverse, mentre erano incompetenti solo in sette situazioni. Per quanto riguarda il movimento rettilineo, la geometria concava ha dimostrato prestazioni migliori rispetto agli altri substrati. Inoltre, C72 ha indicato prestazioni meno favorevoli per quanto riguarda l'intervallo di movimento e i coefficienti di diffusione. Nel complesso, la nostra indagine aiuta a comprendere le prestazioni di diverse molecole di fullerene su substrati d’oro e a trovare la loro probabile applicazione, in particolare come ruota nelle strutture di nanomacchine.

La manipolazione di materiali su scala nanometrica sta diventando sempre più interessante per vari obiettivi tecnologici, grazie al rapido sviluppo dei nanorobot. Negli anni attuali, sono stati suggeriti diversi meccanismi di trasporto per trasportare particelle di dimensioni nanometriche1. Tuttavia, la maggior parte di questi approcci si sono rivelati incompetenti per diversi motivi. In primo luogo, praticamente tutti i nanomanipolatori creati sono diversi ordini di grandezza più grandi del loro carico utile, il che è contrario alle prestazioni dei nanomanipolatori naturali1,2. In natura molecole dello stesso ordine di grandezza o anche più piccole sono in grado di trasportare atomi e molecole. La cinesina, ad esempio, è una piccola proteina in grado di trasportare adeguatamente carichi utili piuttosto grandi3,4. In secondo luogo, non sono in grado di lavorare contemporaneamente su un gran numero di particelle2.

James Tour et al. hanno assemblato diversi motori molecolari con l'obiettivo di trasportare altri materiali su scala nanometrica5,6,7,8,9. Queste macchine molecolari prodotte hanno ottenuto nomi come nanoauto, nanocamion o altri nomi a causa della loro somiglianza con le auto vere tra i ricercatori2,6,10. Sono state sviluppate varie nanomacchine, ciascuna con forma e numero di ruote diverse. La prima generazione di nanoauto sintetizzate si muoveva con l'ausilio di ruote in fullerene11,12. C60 è una molecola ben nota la cui mobilità su vari substrati è stata illustrata in numerosi studi sperimentali e computazionali12,13. Inoltre, il movimento del C60 su substrati di grafene, silicone e oro è stato studiato in precedenza14,15,16,17. Tuttavia, le nanoauto con ruote in fullerene hanno mostrato prestazioni più redditizie sul substrato d'oro grazie alla loro stabilità e conduttività13. Nanomacchine a quattro o tre ruote con C60 come ruota sono state fabbricate in modo significativo in studi precedenti su queste nanomacchine5. Vaezi et al.18 hanno studiato il movimento della molecola C60 sul substrato di nitruro di boro a diverse temperature. Hanno indicato che all’aumentare della temperatura, il movimento di rotolamento diventava più significativo del movimento di raccordo, e la gamma del movimento e i coefficienti di diffusione diventavano maggiori. Nonostante i progressi compiuti nello studio del C60, il regime di movimento degli altri fullereni non è stato studiato in dettaglio. Sembra quindi necessario studiare approfonditamente la mobilità di altre molecole di fullerene su diversi substrati per valutarne le possibili applicazioni. Ad esempio, Wang et al.19 hanno studiato il movimento dei fullereni C60, C72, C180, C240 ​​e C260 sul substrato di grafene. Hanno dimostrato che tutte le molecole raggiungevano l’estremità del substrato con la massima velocità e in quel punto cominciavano a fluttuare. Pertanto, queste molecole potrebbero essere utilizzate nella costruzione di nanointerruttori ad alta frequenza, trasporto di nanoparticelle o componenti di nanorobot.