Исследование движения фуллеренов на термоактивированных золотых подложках различной формы

Sep 12, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14397 (2022) Цитировать эту статью

1198 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

В настоящей работе исследован режим движения молекул фуллеренов на подложках различной формы в диапазоне определенных температур. Для этого потенциальную энергию молекул фуллеренов анализировали с помощью метода классической молекулярной динамики. Молекулы фуллеренов C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 и C90 были выбраны из-за их сферической формы с разными размерами. Кроме того, для полного анализа поведения этих молекул были рассмотрены различные золотые подложки, в том числе плоские, вогнутые, верхняя сторона ступеньки (ступенька вверх) и нижняя сторона ступеньки (ступенька вниз). Уточнение режима движения при различных температурах является одной из основных целей данной работы. С этой целью мы независимо исследовали поступательное и вращательное движения молекул фуллеренов. На первом этапе исследования была рассчитана потенциальная энергия Леннарда-Джонса молекул фуллеренов. В дальнейшем режим движения различных фуллеренов был классифицирован на основе их смещения и скорости скольжения. Наши результаты показали, что C60 подходит менее чем в \(5\%\) условиях. Однако молекулы C20, C76 и C80 оказались подходящими кандидатами в большинстве случаев в различных условиях, тогда как они были некомпетентны только в семи ситуациях. Что касается прямолинейного движения, то вогнутая геометрия продемонстрировала лучшие характеристики по сравнению с другими подложками. Кроме того, C72 показал менее благоприятные характеристики в отношении диапазона коэффициентов движения и диффузии. В целом, наше исследование помогает понять поведение различных молекул фуллеренов на золотых подложках и найти их возможное применение, особенно в качестве колеса в наномашинных структурах.

Манипулирование наноматериалами становится все более привлекательным для различных технологических целей благодаря быстрому развитию нанороботов. В последние годы было предложено немало механизмов транспортировки наноразмерных частиц1. Однако большинство этих подходов оказались некомпетентными по нескольким причинам. Во-первых, практически все созданные наноманипуляторы на несколько порядков превышают свою полезную нагрузку, что противоречит характеристикам естественных наноманипуляторов1,2. В природе молекулы того же порядка или даже меньше способны переносить атомы и молекулы. Кинезин, например, представляет собой небольшой белок, который может правильно транспортировать довольно большие полезные нагрузки3,4. Во-вторых, они не могут одновременно работать с большим количеством частиц2.

Джеймс Тур и др. собрал несколько молекулярных двигателей с целью транспортировки других наноматериалов5,6,7,8,9. Эти изготовленные молекулярные машины получили среди исследователей такие названия, как наноавтомобили, наногрузовики или другие названия из-за их сходства с реальными автомобилями2,6,10. Были разработаны различные наномашины, каждая из которых имеет разную форму и количество колес. Первое поколение синтезированных наноавтомобилей передвигалось с помощью фуллереновых колес11,12. C60 — хорошо известная молекула, подвижность которой на различных подложках была проиллюстрирована в ряде экспериментальных и компьютерных исследований12,13. Кроме того, ранее было изучено движение C60 на подложках из графена, силикона и золота14,15,16,17. Однако наноавтомобили с фуллереновыми колесами показали более выгодную работу на золотой подложке благодаря своей стабильности и проводимости13. Четырех- или трехколесные наномашины с C60 в качестве колеса были изготовлены в значительной степени в предыдущих исследованиях этих наномашин5. Ваези и др.18 исследовали движение молекулы С60 на подложке из нитрида бора при различных температурах. Они указали, что с повышением температуры движение качения становится более значимым, чем боковое движение, а диапазон коэффициентов движения и диффузии становится больше. Несмотря на успехи, достигнутые в изучении С60, режим движения других фуллеренов детально не исследован. Таким образом, представляется крайне необходимым исследовать подвижность других молекул фуллеренов на различных подложках, чтобы оценить их возможное применение. Например, Ван и др.19 исследовали движение фуллеренов C60, C72, C180, C240 ​​и C260 на графеновой подложке. Они продемонстрировали, что все молекулы достигли конца подложки с максимальной скоростью и начали колебаться в этой точке. Следовательно, эти молекулы могут быть использованы при создании высокочастотных нанопереключателей, средств транспорта наночастиц или компонентов нанороботов.