加州大学洛杉矶分校研究人员揭示纳米级物质性质的新见解

2018-05-15

像水一样具有粘度的流体进入UCLA-R3,其纳米级的粘度变得像蜂蜜

em加州大学洛杉矶分校的科学家发现,当我们在日常生活中的行为与水行为相似时,它会变得和蜂蜜一样沉重,因为它们被困在多孔固体的纳米笼中,为纳米级世界中物质的行为提供了新的见解< / EM>

“我们正在越来越多地了解纳米级物质的性质,以便我们可以设计具有特定功能的机器,”高级作者MiguelGarcía-Garibay,加州大学洛杉矶分校物理科学系主任,化学和生物化学教授。

该研究发表在ACS中央科学杂志上。

纳米级有多小?纳米尺寸小于红血球尺寸的1 / 1,000和人发直径的约1 / 20,000。尽管世界各地的科学家进行了多年的研究,但纳米尺度的物质尺寸非常小,这让学习运动如何在这个尺度上发挥作用变得非常具有挑战性。

“这项令人兴奋的研究得到了美国国家科学基金会的支持,代表了分子机器领域的一项重大进步,”NSF项目主管尤金祖巴列夫说。 “这无疑将刺激分子电子学和微型器件的基础研究和实际应用方面的进一步工作。 Miguel Garcia-Garibay是该领域的先驱者之一,在高影响力工作和突破性发现方面拥有非常强大的记录。“

例如,复杂纳米机器的可能用途可能比细胞小得多,包括将药物放置在纳米笼中并释放细胞内的货物以杀死癌细胞;由于医学原因运输分子;设计分子计算机,可能会在您意识到任何症状之前将其放置在体内以检测疾病;或者甚至设计新的物质形式。

García-Garibay的研究小组设计了三种称为MOFs或金属有机骨架的旋转纳米材料,它们被称为UCLA-R1,UCLA-R2和UCLA-R3(“ r“代表转子)。有时称为水晶海绵的MOF具有孔隙 - 可存储气体的开口,或者在这种情况下为液体。

研究转子的运动使得研究人员能够分离流体粘度在纳米尺度上的作用。利用UCLA-R1和UCLA-R2,分子转子占据非常小的空间并阻碍彼此的运动。但是在UCLA-R3的情况下,除了液体分子以外,没有什么能够减缓纳米笼内的转子。

García-Garibay的研究小组测量了分子在晶体中旋转的速度。每个晶体都有四分之一的纳米笼内旋转的分子,化学家们知道每个分子的位置

UCLA-R3由大分子转子构建,在纳米级捕获的10个液体分子所施加的粘性力作用下运动环境

“加拿大加利福尼亚大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的成员García-Garibay说:”当你有一组旋转分子时,转子受到与它们相互作用的结构中的某些物质的阻碍是很常见的,但UCLA-R3中却没有。 。 “UCLA-R3的设计是成功的。我们希望能够控制粘度以使转子彼此相互作用;我们想要了解粘度和热能来设计显示特定行为的分子。我们希望控制分子间的相互作用,以便它们可以相互作用并与外部电场相互作用。“

García-Garibay的研究团队在晶体运动和晶体分子马达设计方面工作了10年。为什么这很重要?

“我可以精确地了解晶体中的分子,原子的精确排列,没有不确定性,”加西亚 - 加里拜说。 “这提供了大量的控制,这使我们能够学习纳米级分子功能的不同原理。”

García-Garibay希望能够设计出利用光的特性的晶体,其应用可能包括通信技术,光学计算,传感和光电领域的进步,该领域利用光的特性;光可以有足够的能量来打破分子中的键。

“如果我们能够将电磁能转化为运动光,或者将运动转化为电能,那么我们就有可能使分子器件变得更小,”他说。 “我们可以用分子机器做许多种可能性。我们还没有完全理解分子机械的潜力,但是一旦我们深入理解固体中运动的发生,就可以开发出许多应用。“

共同作者是加州大学Garibay实验室的加州大学洛杉矶分校研究生邢江,他今年完成了他的博士学位。来自中国南京晓庄大学的访问学者段海宝在García-Garibay实验室呆了一年的时间,和化学和生物化学系的加州大学洛杉矶分校晶体学家Saeed Khan。

该研究由美国国家科学基金会资助(授予DMR140268)

García-Garibay将继续他在任职期间对晶体和绿色化学的分子运动的研究

出版物:Xing Jiang等人,“金属 - 有机框架(MOF)中三蝶烯扩散控制旋转对MOF-约束溶剂粘度的影响”ACS Cent。科学,2016; DOI:10.1021 / acscentsci.6b00168

来源:Stuart Wolpert,加州大学洛杉矶分校Nwewsroom