科学家如何利用分子制造旋转机器

发布时间：2024-08-06 15:51:03 栏目：精选知识

导读 机器已经进化以满足日常生活和工业用途的需求，分子级设备通常表现出改进的功能和机械运动。然而，掌握固态分子结构内的力学控制仍然是一项...

机器已经进化以满足日常生活和工业用途的需求，分子级设备通常表现出改进的功能和机械运动。然而，掌握固态分子结构内的力学控制仍然是一项重大挑战。



韩国蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 的研究人员取得了突破性发现，这可能为数据存储及其他领域的革命性进步铺平道路。在蔚山国立科学技术研究院化学系教授 Wonyoung Choe 的带领下，一个科学家团队开发出了可模拟复杂机器的沸石咪唑酯骨架 (ZIF)。这些分子级设备可以精确控制纳米级机械运动，为纳米技术开辟了令人兴奋的新可能性。

为了设计这些固态纳米级机器，人们以金属有机骨架 (MOF) 为基础，将分子机器作为机械组件集成到已经开发的结构中。最近一个重要的例子是将多个动态组件作为柱状配体嵌入 MOF 中，从而保持嵌入机器在固态下的旋转运动。从历史上看，将 MOF 中的机器行为与其机械性能联系起来的情况很少见，因为 MOF 本身并不表现出这样的行为。

研究团队利用单晶 X 射线衍射验证了 ZIF 的连杆结构与机械连杆相似。这种特殊的 ZIF 采用滑块曲柄连杆的原理运行，将旋转运动转化为线性运动，响应温度变化和溶剂分子。通过更换固态分子机器的机械部件，他们实现了对纳米级运动的精确控制。研究人员还发现，这种机器的弹性和灵活性是其他 ZIF 中最高的，使其成为数据存储及其他应用的理想选择。

研究团队得出结论，独特的机械性能主要归功于 ZIF 的机械连接结构。由相同金属节点和有机配体制成的结构根据连接方式的不同表现出不同的柔韧性。这一特性对于需要以各种方式组装组件以实现特定运动的机器至关重要，有望推动创新纳米材料的发展。

“在分子水平上实现类似机器的运动为发现具有独特机械性能的新材料打开了大门，”Wonyoung Choe 教授解释道。“我们对各种分子机械部件和机械连接结构的研究为数字数据存储等领域的未来应用奠定了基础，在这些领域，对机械运动的精确控制至关重要。”

该项研究成果已于 2024 年 6 月 14 日在《应用化学国际版》上发表并被选为热门论文。该项研究得到了韩国国家研究基金会 (NRF) 通过中期职业研究员计划和氢能创新技术开发项目的支持，以及韩国工业技术规划与评估研究所 (KEIT) 以及蔚山国立科学技术研究所 (UNIST) 资助的碳中和研究所研究基金的支持。