다양한 모양의 열 활성화 금 기판에서 풀러렌 운동 조사

Sep 12, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14397(2022) 이 기사 인용

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현재 연구에서는 특정 온도 범위에서 다양한 모양을 가진 기판 위의 풀러렌 분자의 운동 방식이 조사되었습니다. 이를 위해 고전 분자동역학 방법을 이용하여 풀러렌 분자의 위치에너지를 분석하였다. C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 및 C90 풀러렌 분자는 크기가 서로 다른 구형 모양으로 인해 선택되었습니다. 또한 이러한 분자의 거동을 완전히 분석하기 위해 평평한, 오목한, 계단의 위쪽(상향 단계) 기판과 계단의 아래쪽(하향 계단) 기판을 포함한 다양한 금 기판을 고려했습니다. 다양한 온도에서 운동 체계를 지정하는 것이 본 연구의 주요 목표 중 하나입니다. 이를 위해 우리는 풀러렌 분자의 병진 및 회전 운동을 독립적으로 연구했습니다. 조사의 첫 번째 단계에서 풀러렌 분자의 Lennard-Jones 위치 에너지가 계산되었습니다. 그 후, 다양한 풀러렌의 운동 방식이 변위 및 슬라이딩 속도에 따라 분류되었습니다. 우리의 연구 결과에 따르면 C60은 \(5\%\) 미만의 조건에 적합합니다. 그러나 C20, C76 및 C80 분자는 다양한 조건에서 대부분의 경우 적합한 후보로 밝혀졌으나 7가지 상황에서만 무능한 것으로 나타났습니다. 직선 이동을 고려하면 오목한 형상이 다른 기판에 비해 더 나은 성능을 보였습니다. 또한 C72는 이동 범위 및 확산 계수와 관련하여 덜 유리한 성능을 나타냅니다. 전체적으로 우리의 조사는 금 기판에서 다양한 풀러렌 분자의 성능을 이해하고 특히 나노 기계 구조의 휠로서 응용 가능성을 찾는 데 도움이 됩니다.

나노 로봇의 급속한 발전으로 인해 나노 크기 재료의 조작은 다양한 기술적 목표에 점점 더 매력적이 되고 있습니다. 최근에는 나노 크기의 입자를 운반하기 위한 몇 가지 운송 메커니즘이 제안되었습니다1. 그러나 이러한 접근 방식의 대부분은 여러 가지 이유로 인해 무능했습니다. 첫째, 실제로 생성된 모든 나노 조작기는 페이로드보다 몇 배 더 크며 이는 자연 나노 조작기의 성능과 상반됩니다1,2. 자연에서 크기가 같거나 더 작은 분자는 원자와 분자를 운반할 수 있습니다. 예를 들어, 키네신은 상당히 큰 페이로드를 적절하게 운반할 수 있는 작은 단백질입니다3,4. 둘째, 그들은 많은 수의 입자에 대해 동시에 작업할 수 없습니다2.

James Touret al. 다른 나노 규모의 재료5,6,7,8,9를 운반한다는 목표로 여러 분자 모터를 조립했습니다. 이렇게 제조된 분자 기계는 연구자들 사이에서 실제 자동차와 유사하기 때문에 나노카, 나노트럭 또는 기타 이름과 같은 이름을 얻었습니다2,6,10. 다양한 나노머신이 개발되었으며 각각 모양과 바퀴 수가 다릅니다. 1세대 합성 나노자동차는 풀러렌 바퀴의 도움으로 움직였습니다. C60은 다양한 기질에서의 이동성이 수많은 실험 및 계산 연구에서 설명된 잘 알려진 분자입니다12,13. 또한 그래핀, 실리콘 및 금 기판에서 C60의 움직임은 이전에 연구되었습니다. 그러나 풀러렌 바퀴 나노카는 안정성과 전도성으로 인해 금 기판에서 더 수익성 있는 성능을 보여주었습니다. C60을 바퀴로 사용하는 4륜 또는 3륜 나노머신은 이러한 나노머신에 대한 이전 연구에서 상당히 제작되었습니다5. Vaezi et al.18은 다양한 온도에서 질화붕소 기판 위의 C60 분자의 움직임을 조사했습니다. 그들은 온도가 증가함에 따라 롤링 운동이 사이딩 운동보다 더 중요해지고 운동 범위와 확산 계수가 더 커진다는 것을 나타냈습니다. C60 연구의 진전에도 불구하고 다른 풀러렌의 운동 체계는 자세히 조사되지 않았습니다. 따라서 조건부 적용을 평가하기 위해 다른 기질에서 다른 풀러렌 분자의 이동성을 조사하는 것이 광범위하게 필요한 것 같습니다. 예를 들어, Wang 등은 그래핀 기판에서 C60, C72, C180, C240 ​​및 C260 풀러렌의 움직임을 조사했습니다. 그들은 모든 분자가 최대 속도로 기판 끝에 도달하고 그 지점에서 변동하기 시작한다는 것을 입증했습니다. 따라서 이러한 분자는 고주파수 나노 스위치, 나노 입자 전송 또는 나노 로봇 구성 요소의 구성에 활용될 수 있습니다.