超晶格研究揭示了类似齿轮的分子尺度机器

此p显示了纳米粒子在超晶格的两个相邻层中的排列，左侧的配置对应于环境条件下超晶格的平衡状态，而右侧的配置在体积压缩过程结束时记录。构型的比较揭示了配体的挠曲和纳米粒子的齿轮状旋转，其中配体之间的氢键锚固在相邻的纳米粒子上，充当“分子铰链”。由Uzi Landman提供

佐治亚理工学院的研究人员最新发表的一项研究揭示了超晶格如何通过氢键“铰链”和移动“齿轮”制造分子机器。

对自组装的银基结构（称为超晶格）进行的计算和实验研究相结合，揭示了一种异常且出乎意料的行为：齿轮状分子尺度的机器阵列在施加压力时会一致地旋转。

计算和实验研究表明，由较小的银纳米颗粒簇和有机保护分子簇自组装而成的超晶格结构形成层状，其组分之间的氢键充当“铰链”以促进旋转。“齿轮”的运动与材料的另一个异常特性有关：超晶格上增加的压力会使它变软，从而可以用较小的力进行后续压缩。

包含齿轮状纳米颗粒的材料（每个包含近500个原子）可能对分子规模的转换，传感甚至能量吸收有用。据信，复杂的超晶格结构是使用X射线和计算技术相结合详细绘制的最大固体之一。

该视频显示了纳米团簇产生的银“齿轮”的运动。

摄政和外交部的乌兹·兰德曼（Uzi Landman）说：“当我们挤压这种材料时，它变得越来越柔软，并且突然发生了戏剧性的变化。”乔治亚理工学院物理学院的卡拉威教授。“当我们观察晶体在此过渡区域的微观结构的取向时，我们会看到一些非常不寻常的事情发生了。这些结构开始相对彼此旋转，从而创建了一个具有一些观察到的最小运动元素的分子机器。”

齿轮旋转多达23度，并在释放压力后返回其原始位置。佐治亚理工学院计算材料科学中心主任兰德曼说，交替层中的齿轮朝相反的方向运动。

在空军科学研究所和能源部基础能源科学处的支持下，这项研究于4月6日在《自然材料》杂志上进行了报道。来自佐治亚理工学院和托莱多大学的研究人员在该项目上进行了合作。

该研究研究了由簇组成的超晶格结构，每个簇具有44个银原子的核。银团簇受到30种有机材料的配体分子（巯基苯甲酸（p-MBA））的保护，其中包括一个酸基团。有机分子通过硫原子连接到银上。

兰德曼解释说：“形成超晶格的不是单个原子。”“实际上，您是从已经结晶的团簇中制成更大的结构。您可以从中得到一个有序的阵列。”

在溶液中，簇在氢键的引导下组装成更大的超晶格，而氢键只能在一定角度的p-MBA分子之间形成。

兰德曼解释说：“自组装过程受到形成氢键的渴望的指导。”“这些键是方向性的，不能显着变化，这限制了分子可以具有的取向。”

首先使用Landman实验室进行的量子力学分子动力学模拟研究了超晶格。该系统还由托莱多大学化学与生物化学系副教授Terry Bigioni领导的研究小组进行了实验研究。

使用静水技术压缩超晶格时，发生了异常行为。在将结构压缩到其体积的大约6％后，进行额外压缩所需的压力突然显着下降。研究人员发现，这种下降发生在纳米晶体组分以相反的方向逐层旋转时。

正如氢键决定了超晶格结构的形成方式一样，氢键也指导着结构如何在压力下运动。

兰德曼解释说：“氢键喜欢在其方向上具有方向性。”“当您按下超晶格时，它想保持氢键。在试图维持氢键的过程中，所有有机配体都以一种方式使银核弯曲，而另一层中的有机核则以另一种方式弯曲和旋转。”

当纳米簇移动时，结构围绕氢键旋转，氢键充当“分子铰链”以允许旋转。Landman指出，压缩是完全可能的，因为晶体结构的大约一半空间是开放的。

银纳米微晶的运动可以使超晶格材料充当能量吸收结构，将力转换为机械运动。通过改变银超晶格的导电性能，压缩材料还可以使其用作分子规模的传感器和开关。

实验和计算研究相结合，使银超晶格成为世界上研究最深入的材料之一。

兰德曼说：“我们现在已经完全控制了一种独特的材料，这种材料通过其组成具有分子的团簇。”“它具有金属，具有有机材料，并且具有被柔软的材料包围的坚硬的金属芯。”

对于未来，研究人员计划进行其他实验，以了解有关超晶格系统独特性质的更多信息。独特的系统显示出，将纳米级系统与许多其他小型单元组合在一起时，异常特性会如何产生。

兰德曼说：“我们制造小颗粒，它们是不同的，因为小颗粒是不同的。”“当您将它们放在一起时，拥有更多它们是不同的，因为这使它们可以集体行动，而集体活动则有所不同。”

除了已经提到的内容外，佐治亚理工学院的合著者还包括研究科学家Bokwon Yoon（该论文的第一作者）以及资深研究科学家W.David Luedtke，Robert Barnett和Gaojianping。托莱多大学的合著者包括Anil Desireddy和Brian E. Conn。

这项研究得到了空军科研办公室（AFOSR）和美国能源部基础能源科学办公室（DOE）的合同FG05-86ER45234的支持。所表达的任何结论或观点均为作者的观点，不一定代表AFOSR或DOE的官方观点。

出版物：Bokwon Yoon等人，“纳米银超晶格的氢键结构和机械手性响应”，《自然材料》，2014年； doi：10.1038 / nmat3923

图像：由Uzi Landman提供