…Прошло более 30-ти лет с тех пор, как учёные научились перемещать атомы. Однако манипулировать молекулами оказалось намного сложнее.

Если нанотехнология захватила наше воображение, то речь, скорее всего, идёт о так называемой молекулярной нанотехнологии. В которой наноразмерные «машины» собирают объекты «атом за атомом или молекула за молекулой». У нанотехнологии уже есть 30-летняя история, когда в 1990 году Дон Эйглер из компании IBM при помощи сканирующего зондового микроскоп выложил из атомов ксенона аббревиатуру «I B M», чем наглядно продемонстрировал возможность манипулирования отдельными атомами.

В то время как манипуляция атомами имеет давнюю историю, в манипуляции молекулами имеется значительно меньше достижений и существует ещё много проблем. Однако на этом фоне есть успехи. В частности, группа ученых из Германии сумела повернуть и зафиксировать молекулу в положении, в котором она в естественных условиях никогда не находится. Учёные сумели заставить молекулу полимера PTCDA принимать на серебряной пластинке вертикальное положение и стать одноэлектронным полевым эмиттером, в котором эмиссия электронов включается электростатическим полем.
В исследовании, описанном в журнале «Природа» (Nature), ученые из Института Питера Грюнберга, Германия, смогли использовать сканирующий зондовый микроскоп, чтобы получить молекулу PTCDA (органический краситель, органический полупроводник) в форме тромбоцита (которая структурно связана с графеном) стоять вертикально на серебряной пластинке, а не в её предпочтительном положении: лежащеё на поверхности. Результаты могут послужить важным шагом в попытке сделать молекулярную нанотехнологию реальностью и, таким образом, привести к другим «прорывным» технологиям.

На рисунке показана молекула PTCDA, расположенная вертикально на серебряной пластине (слева). Обычно молекула лежала бы ровно на слое атомов серебра (справа)
Данная самая свежая работа — это накопление десятилетних исследований в области манипулирования молекулами с помощью сканирующего зондового микроскопа (SPM). По словам руководителя группы SPM в Институте Питера Грюнберга, на этом пути было несколько важных событий. Самые ранние из них, достигнутые в 2008 году, позволили очень точно обеспечить контакт кончика зонда микроскопа с молекулой. Этот очень точный контакт обеспечил необходимый контроль для изучения возможностей контролируемой манипуляции молекулами. Еще одно недавнее важное достижение – ученые научились манипулировать молекулами «вручную», что сделало процесс манипуляций более точным. Молекула PTCDA, которая использовалась в экспериментах, имеет химическую структуру, которая позволяет ей точно контактировать с кончиком зонда SPM. В углах этой почти прямоугольной молекулы имеется четыре атома кислорода. Хотя эти структурные свойства делают молекулу PTCDA благоприятной для манипуляции, учёные полагают, что есть другие молекулы, которые имеют сходную химическую структуру, и с которыми тоже можно было бы контактировать кончиком зонда SPM и, следовательно, манипулировать ими.
Конечно, этот важный шаг в молекулярной нанотехнологии, наверное, возбудит воображение тех, кто является сторонником этой научно-технической области. Однако авторы статьи считает, что влияние этой работы выходит далеко за рамки этого. Данное исследование открывает новую область так называемых метастабильных конфигураций, в которых нано система сохраняет положение, отличное от её наименьшей энергии. В данном случае молекулы не ложатся на поверхность, как диктуют законы термодинамики.