חוקרים השתמשו בספקטרוסקופיה של נויטרונים כדי לחשוף את התנועה הייחודית דמוית ירח של טריפנילפוספין על גרפיט, מה שמקדם את ההבנה שלנו של תנועה מולקולרית ויישומיה במדעי החומר. קרדיט: TU Graz
תובנה ננומטרית לגבי תנועה מולקולרית על משטחים.
חוקרים השתמשו בנתוני ספקטרוסקופיה של נויטרונים מ-ILL כדי לקבל תובנות פורצות דרך לגבי תנועה מולקולרית ב- ננומטרי, המציע נקודות מבט חדשות שיכולות להשפיע על פיתוח חומרים וטכנולוגיות עתידיות. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת כימיה של תקשורת.
במשך שנים, מדענים הסתקרנו מהאופן שבו מולקולות נעות על פני משטחים. התהליך הוא קריטי עבור יישומים רבים, כולל קטליזה וייצור של מכשירים ננומטריים.
כעת, באמצעות ניסויי ספקטרוסקופיה של נויטרונים שבוצעו ב-Institut Laue-Langevin (ILL) ומודלים תיאורטיים מתקדמים והדמיות ממוחשבות, צוות בראשות אנטון טמטגל, מאוניברסיטת גראץ לטכנולוגיה, חשף את התנועה הייחודית של טריפנילפוספין (PPh3) מולקולות על משטחי גרפיט, התנהגות הדומה לאנדר ירח ננוסקופי.
למעשה, PPh3 מולקולות מפגינות צורה יוצאת דופן של תנועה, מתגלגלת ומתרגמת בדרכים המאתגרות הבנות קודמות. נראה כי תנועה דמוית ארץ ירח זו מוקלת על ידי הגיאומטריה הייחודית שלהם וקשירה שלוש נקודות עם פני השטח.
"ההתעמקות בעולם המורכב של תנועה מולקולרית על משטחי גרפיט הייתה מסע מרגש", מגלה אנטון טמטגל, ומוסיף: "מדידות וסימולציה חשפו תנועה ו'ריקוד' מתוחכמים של המולקולות, וסיפקו לנו הבנה עמוקה יותר של דינמיקת פני השטח. ופתיחת אופקים חדשים למדעי החומרים ולננוטכנולוגיה".
סרטון הממחיש את התנועה של מולקולת טריפנילפוספין בודדת על פני גרפיט במבט עליון, כפי שהופקה מהדמיית דינמיקה מולקולרית בטמפרטורה של 300 K. קרדיט: TU Graz
תפקידו של טריפנילפוספין בתעשייה
טריפנילפוספין הוא מולקולה חשובה לסינתזה של תרכובות אורגניות וננו-חלקיקים עם יישומים תעשייתיים רבים. המולקולה מציגה גיאומטריה מוזרה: PPh3 הוא פירמידלי עם סידור דמוי מדחף של שלוש קבוצות האטומים המחזוריות שלו (ראה תמונה).
ניוטרונים מציעים אפשרויות ייחודיות בחקר המבנה והדינמיקה של החומרים. בניסוי טיפוסי, נויטרונים המפוזרים מהדגימה נמדדים כפונקציה של השינוי בכיוון ובאנרגיה שלהם. בשל האנרגיה הנמוכה שלהם נויטרונים הם בדיקה מצוינת לחקר עירורים באנרגיה נמוכה כגון סיבובים מולקולריים ודיפוזיה. מדידות ספקטרוסקופיה של ניוטרונים בוצעו ב-ILL Instruments IN5 (ספקטרומטר TOF) ו-IN11 (ספקטרומטר ספין-הד נייטרונים).
איור המראה מולקולת טריפנילפוספין אחת על פני גרפיט. קרדיט: TU Graz
"מדהים לראות כיצד הספקטרומטרים החזקים של ILL מאפשרים לנו לעקוב אחר הדינמיקה של המערכות המולקולריות המרתקות הללו, גם אם כמות הדגימה זעירה", אומר מדען ה-ILL, פיטר פוקה, והסביר כי "קרני ניוטרון אינן הורסים את הדגימות הרגישות הללו ומאפשרות השוואה מושלמת עם הדמיות מחשב."
המחקר מראה כי PPh3 מולקולות מקיימות אינטראקציה עם משטח הגרפיט באופן המאפשר להן לנוע עם מחסומי אנרגיה נמוכים באופן מפתיע. התנועה מאופיינת בסיבובים ותרגומים (תנועות קפיצה) של המולקולות. בעוד שסיבובים ותנועה תוך-מולקולרית שולטים עד כ-300 K, המולקולות עוקבות אחר תנועת קפיצה תרגום נוספת על פני השטח מ-350-500 K.
הבנת המנגנונים המפורטים של תנועה מולקולרית בקנה מידה ננו פותח אפיקים חדשים לייצור חומרים מתקדמים בעלי תכונות מותאמות. מלבד האינטרס היסודי, התנועה של PPh3 ותרכובות קשורות על משטחי גרפיט היא בעלת חשיבות רבה ליישומים.
