Konsten att texta med molekyler

För två hundra år sedan tillämpades termodynamiken för att öka verkningsgraden hos ångmaskinerna. Nu är forskningen nere på molekylnivå med målet att utveckla material för gaslagring, nanosensorer, molekylära maskiner och värmeisolatorer.

Ett forskarlag vid Linköpings universitet och Münchens tekniska universitet (TUM) har lyckats följa och modellera rörelsen av en enskild molekyl, fångad i en por i nanoformat. Genom att finjustera temperaturen och skifta molekylernas laddning har man bland annat kunnat koda bokstäver i alfabetet, vilket demonstrerar möjligheten att utläsa information från enstaka molekylers jämviktsbeteende. Arbetet publiceras nu i tidskriften Nature Communications.

De teoretiska beräkningarna har utförts vid Nationellt Superdatorcentrum i Linköping och koordinerats av Jonas Björk, postdoktor i teoretisk kemi vid LiU.

Molekylär termodynamik handlar om egenskaper över tid hos molekyler, som deras position och rörelse. I den makroskopiska, tredimensionella världen kan molekyler anta en näst intill oändlig mängd skepnader, vilket gör det till en enorm utmaning att analysera enskilda tillstånd. Men i München har experimentteamet skapat tunna nätverk med tvådimensionella porer på en yta av silver, där rörelsen hos enstaka molekyler kan följas i sveptunnelmikroskop vid olika temperaturer.

Med denna teknik, utvecklad under ledning av Florian Klappenberger och Johannes Barth, kan man undersöka termodynamisk jämvikt på atomnivå och söka önskade temperaturområden.

– Det var oerhört intressant att observera, både i mikroskopet och med en beräkningsmodell, hur en given molekyl ockuperar miljontals olika positioner till och med över en mycket begränsad yta, säger Carlos-Andres Palma, huvudförfattare till studien.

Parallellt med experimenten har forskarna arbetat med sofistikerade datormodeller för att beskriva den temperaturberoende dynamiken hos enstaka infångade molekyler.

– Vi har tillämpat de mest avancerade superdatorberäkningarna för att förstå de växelverkningar och energilandskap som bestämmer rörelsen hos molekylerna. Men det är en lång väg att gå innan termodynamiken för enskilda molekyler kan förvandlas till teknik, säger Jonas Björk.

Bilden: Genom att ändra temperaturen för enstaka molekyler instängda i varsin por av nanometerstorlek, simulerade forskarna de tre bokstäverna i förkortningen LiU. Illustration: C.-A. Palma/TUM

Artikel: Visualization and thermodynamic encoding of single-molecule partition function projections by Carlos-Andres Palma, Jonas Björk, Florian Klappenberger, Emmanuel Arras, Dirk Kühne, Sven Stafström and Johannes V. Barth, Nature Communications, 23 februari 2014, doi: 10.1038/ncomms7210

Forskningen finansierades av Europeiska vetenskapsrådet (ERC Advanced Grant MolArt) och svenska Vetenskapsrådet.