Ученые научились управлять фуллереном при помощи одной молекулы воды
 Молекула фуллерена с заключенной внутри молекулой воды. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Среди фуллеренов наиболее изученным является C60. Почти сферическая молекула представляет собой оболочку из 60 атомов углерода. Два года назад ученые продемонстрировали, что такую молекулу можно «вскрыть», разместив внутри нее молекулу воды, что позволяет создать структуру H2O@C60.
Основываясь на этой возможности, группа ученых из Columbia University (США) использовала компьютерное моделирование, чтобы изучить свойства этой структуры. Надо отметить, что примененная ими модель фиксирует все взаимодействия атомов углерода между собой, а также с тремя атомами и молекулой воды. Правда, сам фуллерен при этом рассматривается, как жесткая структура (поскольку его размер много больше, чем характерные размеры молекулы воды). В рамках своих расчетов ученые помещали молекулу, диаметр которой – порядка 1 нм в углеродную нанотрубку диаметром 8,2 нм.
Расчеты показали, что молекула воды даже при температуре в 300 градусов по Кельвину постоянно находится в центре молекулы фуллерена. Однако из-за теплового движения ее ориентация в пространстве меняется случайным образом.
При включении внешнего электрического поля (вдоль упомянутой выше нанотрубки) поведение молекулы воды существенно изменяется.
Молекула воды представляет собой электрический диполь: положительно-заряженные атомы водорода уравновешиваются отрицательным кислородом. Находясь в электрическом поле, такие диполи не перемещаются в пространстве (поскольку являются электрически-нейтральными), а совершают крутильные колебания вокруг оси (совпадающей с направлением действия поля).
Как оказалось, если молекула воды находится внутри фуллерена, она, не совершая колебаний, просто ориентируется под некоторым углом к линиям поля, причем, чем сильнее электрическое поле, тем меньше этот угол. Колебания в данном случае заменяет вращение молекулы воды вокруг оси, совпадающей с линиями магнитного поля. Сам фуллерен, хоть и остается электрически-нейтральным, перемещается вдоль нанотрубки (вдоль линий электромагнитного поля). Еще более странно то, что фуллерен начинает движении в обратном направлении, если напряженность электрического поля превышает некий критический порог в 0,065 В на ангстрем.
Чтобы разобраться в причинах обнаруженного явления, теоретики сосредоточили свое внимание на молекуле воды. После включения электрического поля, любое начальное поступательное и вращательное движение в плоскости, перпендикулярной полю, быстро исчезает, т.к. молекула воды получает стабильную ориентацию. Исследователи предположили, что энергия и импульс этого первоначального движения преобразуется в поступательное движение в направлении поля и вращение вокруг этого направления. Соответственно, линейная скорость перемещения молекулы должна зависеть от ее ориентации на тот момент, когда поле было включено.
К сожалению, предложенная теория пока не объясняет обнаруженного изменения направления движения при повышении электрического поля. Ученые говорят, что они все еще работают над разработкой теории, объясняющей этот феномен. Однако, на данный момент важно, что фуллерен с заключенной внутри молекулой воды, в отличие от чистого фуллерена, имеет полярность, что позволяет управлять им при помощи электрического поля. Этот факт открывает перед фуллереном целый спектр возможных применений, в частности, в нанотехнологиях.
Также по теме:
- Дополнительные молекулы позволяют строить сложные трехмерные наноструктуры
- Самоорганизующиеся материалы в будущем станут основой органических солнечных батарей
- Чистые нанотрубки – путь к фундаментальным открытиям и квантовым вычислениям
- Электрический ток между двумя отдельными молекулами фуллерена
- Управление электронными состояниями фуллерена
Источники: