Заключение молекул в ловушку помогает исследовать равновесную термодинамику

В поиске высокоэффективных материалов для хранения газа, тепловых изоляторов или динамических наносистем, важно понять тепловое поведение вещества вплоть до молекулярного уровня.

Классическая термодинамика усреднена по времени и по значительному числу молекул. В трехмерном пространстве одинарные молекулы могут принимать практически бесчисленное число состояний, и оценка их по отдельности практически невозможна.

Теперь исследователи из Технического университета Мюнхена и университета Линкопинга разработали методологию, которая позволяет исследовать равновесную термодинамику отдельных молекул с атомным разрешением при заметных температурах.

Прорывное исследование основано на двух столпах: технология, которая позволяет запирать молекулы в двухмерных нанопорах, и экстенсивное компьютерное моделирование.

Двухмерная ловушка

Доктор Флориан Клаппенбергер разработал метод производства высококачественных металлорганических сетей на серебряной поверхности. Сеть формирует нанопоры, которые ограничивают свободу передвижения адсорбированных одинарных молекул в двух измерениях. С помощью сканирующей туннельной микроскопии исследователи способны отслеживать их передвижения при различных температурах с субнанометровым разрешением.

Параллельно с экспериментами исследователи работали со сложными компьютерными моделями для описания температурной зависимости динамики этих одинарных пойманных в ловушку молекул. «Мы провели вычисления на современных суперкомпьютерах, чтобы понять взаимодействие и облик энергии, определяющие движение молекул», заявил исследователь Джонас Бьорк.

Сравнив экспериментальные и моделируемые данные, исследователи выяснили, что в определенных условиях составная теория достигает простой проекции молекулярных положений в пространстве. Этот подход является центральным для статистической механики, однако ранее он никогда не применялся для воспроизводства эксперимента из-за фактически бесконечных молекулярных положений и энергий, необходимых для наблюдения без наномасштабного ограничения.