Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Движение фуллеренов в нанотрубке сняли со скоростью 1600 кадров в секунду

Toshiki Shimizu et al. / Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2020

Физики из США и Японии смогли заснять колебания димерных фуллеренов в углеродных нанотрубках с разрешением в 0,1 ангстрема, используя электронный микроскоп и скоростную камеру. При этом ученым удалось довести количество кадров в секунду до 1600 — в 100 раз больше предыдущего рекорда. Исследование поможет лучше понять механику работы молекулярных машин. Статья опубликована в журнале Bulletin of the Chemical Society of Japan.

Молекулярные машины представляют собой небольшие молекулы, которые могут двигаться вдоль определенных направлений или совершать полезную работу. За их создание Нобелевский комитет в 2016 году присудил премию по химии. В перспективе такие устройства могут использоваться для адресной доставки лекарств и создания молекулярной электроники. Одним из перспективных материалов для создания молекулярных машин считаются углеродные нанотрубки, на основе которых можно создавать нанодвигатели и молекулярные переключатели.

В некоторых машинах такого рода внутрь нанотрубок помещаются различные молекулы. Однако при взаимодействии со стенками нанотрубки, молекулы начинают двигаться стохастически. При этом их перемещения оказывается невозможно описать, используя существующие результаты наблюдений. До сих пор ученым удалось заснять процессы, происходящие внутри нанотрубок лишь на скорости в 12 кадров в секунду с разрешением в два нанометра.

Исследователи из США и Японии под руководством профессора Эйити Накамура (Eiichi Nakamura) из Токийского университета впервые смогли заснять поведение молекул фуллерена внутри углеродной нанотрубки на скорости в 1600 кадров в секунду. Для этого они использовали аберрационно-скорректированный электронный микроскоп, камеру прямого обнаружения электронов и метод устранения шума на основе полной вариации, который сегодня также используется для улучшения качества интернет-видео. С помощью этих инструментов авторы показали, как перемещаются вдоль нанотрубки и вращаются вокруг своей оси димеры фуллеренов C60.


Исследователи наблюдали примерно 400 нанотрубок с молекулами фуллеренов в течение 10 минут. Они обнаружили несколько десятков перемещений димеров из одного конца структуры в другой. Также ученые впервые увидели, что колебания нанотрубки влияют на вращения и перемещения фуллеренов внутри нее. Оказалось, что кинетическая энергия, которую фуллерены получают от трубки, заставляет их вращаться вокруг своей оси. Кроме того, этой энергии оказывается достаточно, чтобы разорвать слабые Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между димерами C60 и заставить их перемещаться внутри наноструктуры. Перемещения фуллеренов внутри нанотрубки также приводит к ее существенной деформации — примерно на 19 процентов.

Результаты исследования позволяют лучше понять принцип работы молекулярных машин на основе нанотрубок. В будущем ученые планируют увеличить временное и пространственное разрешение съемки и более подробно описать процессы, происходящие в наносистемах подобного рода.

Скоростная камера позволяет зафиксировать движение не только наноструктур, но и электромагнитных волн. В 2018 году исследователи смогли заснять распространение фемтосекундного лазерного импульса через стеклянную пластину со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.

Никита Шевцев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.