Исследования одномерных наносистем
 Кристоф Гозе-Бак (Christophe Goze-Bac) наглядно демонстрирует поведение сложных псевдоодномерных нанообъектов, построенных из молекул фуллерена внутри нанотрубок. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Размерность структуры определяется количеством ее степеней свободы. В наномире количество степеней свободы системы является ключевой характеристикой, т.к. в этих масштабах начинают себя проявлять квантовые эффекты, а они напрямую зависят от количества независимых состояний системы. Для фундаментальных исследований часто используются сложные наноструктуры, количество степеней свободы которых ограничено. Это позволяет перейти в процессе построения научной теории «от простого к сложному», исключив из первоначального рассмотрения побочные факторы.
Один из аспектов исследований нанообъектов – локальные взаимодействия отдельных атомов, играющие в масштабах миллионной доли миллиметра важнейшую роль. Логично в рамках подобных исследований изучить локальные взаимодействия сначала в псевдо-одномерных структурах, позже перейдя к более сложным объектам. Так совместная группа ученых из США и Европы предложила использовать в этих целях сложные одномерные структуры – молекулы фуллерена (аллотропные формы углерода, представляющие собой выпуклый замкнутый многогранник C60), помещенные внутри нанотрубки. Такие системы обладают лишь одной степенью свободы, характеризующей вращение молекулы фуллерена вокруг своей оси. Для оценки сил, связывающих отдельные атомы, входящие в C60, с атомами стенок нанотрубки, необходимо было оценить температуру, при которой происходит «выключение» этого вращения – т.е., грубо говоря, температуру «замерзания» наноструктуры. Согласно последней работе исследовательской группы, опубликованной в журнале ACS Nano, гибридные наноструктуры подобного рода подвержены фазовому переходу при неожиданно низких температурах. Измерения показали, что вращательная степень свободы «исчезает» при температуре не более 25 градусов по шкале Кельвина.
Главное достижение проделанной работы даже не в получении этих ценных сведений, а в разработке методики, позволяющей зафиксировать факт «замораживания». Явление наблюдалось при помощи добавления в молекулы C60 «тяжелых» атомов углерода-13 и отслеживания их перемещений при помощи одной из методик Ядерного Магнитного Резонанса (ЯМР). Методика основана на различии частот резонансного поглощения электромагнитной энергии ядрами атомов C-12 и C-13, позволяющем определять точное местоположение «меченного» атома в пространстве (что, в свою очередь, позволяет определить ориентацию молекулы фуллерена). Ранее подобная техника не применялась для исследования нанообъектов из-за того, что образцы были не достаточно химически чистыми. Очевидно, что в присутствии примесей картина ЯМР будет в значительной степени зашумлена. Группа ученых в течение длительного времени развивала методики магнитной очистки своих нанообразцов, в результате чего были получены достаточно качественные молекулы C60 для применения ЯМР.
Открытие поможет ученым лучше понять свойства фуллерена; в будущем это позволит построить точную физическую модель наноструктуры. Научные разработки, несомненно, повлекут за собой понимание, каким образом фуллерен с его удивительными свойствами может использоваться в практических областях, в частности, наноэлектронике и медицине.
В ближайшее время группа планирует исследовать электрические и магнитные свойства одномерных наноструктур при помощи аналогичных методик.
Также по теме:
Источники: