Understanding and Controlling Coupled Molecular Motion on Surfaces

理解和控制表面上的耦合分子运动

基本信息

  • 批准号:
    1708397
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 44.83万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-08-01 至 2020-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In this project funded by the Macromolecular, Supramolecular, and Nanochemistry Program of the Chemistry Division, Professor Charles Sykes and his students at Tufts University are investigating ways to couple single molecule devices, already pioneered by his research team with prior NSF funding, into molecular machines and molecular-sized devices capable of performing higher tasks. The ultimate goal of the work is the discovery of design principles for the construction of molecular machines and molecular-sized devices that can more easily integrate with existing technologies. A goal is to gain a better understanding of molecular motion. Control of molecular motion is crucial for the design of new approaches for unique new applications, including tiny molecular-sized pumps, sensors, and optoelectronics. To engage broad audiences in this project, the Sykes research team gives presentations about nanoscienceat local high schools with newly developed demonstrations. YouTube videos featuring the project results are produced. The group has developed a Science Fair between Tufts and Medford High which enables ~300 students per year to interact with graduate researchers about their science project presentations.Single molecule devices are capable of performing a number of functions from mechanical motion to simple computation. Their utility is somewhat limited, however, by difficulties associated with coupling them with either each other or with interfaces such as electrodes. This project takes a new approach using molecular self-assembly to produce 2D crystalline arrays of molecular rotors that display emergent properties like correlated rotational switching. The arrays are synthesized by the Ullmann reaction of precursor molecular rotors with a Cu (111) surface, yielding 2D networks of metal-organic complexes in which the rotary units can interact with each other. Scanning tunneling microscopy enables excitation of the individual rotor groups and the ability to study how reorientation of an individual molecular rotor affects its neighbors. By studying the effect of voltage, current, and tunneling gap distance on rotor motion, the mechanism of excitation will be explored. Altering the size and functionality of the precursor molecules enables control over the placement of the rotor units in the 2D molecular crystals and the ability to study the effect of rotor-rotor spacing and angle on correlated rotational switching. By changing the functionality of the rotor itself, both steric and dipolar coupling will be explored. Finally, chiral rotary units will be introduced as a way to induce unidirectional rotation via a flashing temperature ratchet-like mechanism.
在该项目由化学部的大分子,超分子和纳米化学计划资助的项目中,查尔斯·赛克斯(Charles Sykes)教授及其在塔夫茨大学(Tufts University)的学生正在调查如何将单个分子设备搭配使用,该方法已经由他的研究团队与先前的NSF资金一起率先使用,将其与先前的NSF资金相关,将分子机器机器和分子大小的设备具有能力的高级任务。 这项工作的最终目标是发现建造分子机和分子大小设备的设计原理,这些设备可以更容易地与现有技术集成。 一个目标是更好地了解分子运动。 分子运动的控制对于设计新方法的设计至关重要,包括微小的分子泵,传感器和光电子。为了吸引该项目的广泛受众,赛克斯研究团队为纳米级当地高中提供了新开发的示威活动的演讲。 制作了带有项目结果的YouTube视频。该小组在塔夫茨和梅德福高中开发了一场科学博览会,使每年约有300名学生可以就其科学项目演示进行与研究生研究人员进行互动。各个分子设备能够执行从机械运动到简单计算的许多功能。 但是,由于与彼此或诸如电极之类的接口相关的困难,它们的效用受到限制。 该项目使用分子自组装采用一种新方法,以产生分子转子的2D晶体阵列,这些阵列显示出相关旋转开关等新兴特性。 阵列是由前体分子转子与Cu(111)表面的Ullmann反应合成的,产生了金属有机复合物的2D网络,其中旋转单元可以相互相互作用。 扫描隧道显微镜可以激发单个转子基团的激发,并能够研究单个分子转子的重新定位如何影响其邻居。 通过研究电压,电流和隧道间隙距离对转子运动的影响,将探索激发机理。 改变前体分子的大小和功能,可以控制转子单元在2D分子晶体中的放置,并能够研究转子旋转间距和角度对相关旋转切换的影响的能力。 通过更改转子本身的功能,将探索空间和偶极耦合。 最后,将引入手性旋转单元,以通过闪烁的温度棘轮样机构诱导单向旋转。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Towards the directional transport of molecules on surfaces
  • DOI:
    10.1016/j.tet.2017.06.032
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Natalie A. Wasio;C. J. Murphy;Dipna A. Patel;Daniel S. Wei;D. Sholl;E. Sykes
  • 通讯作者:
    Natalie A. Wasio;C. J. Murphy;Dipna A. Patel;Daniel S. Wei;D. Sholl;E. Sykes
Hypothetical Efficiency of Electrical to Mechanical Energy Transfer during Individual Stochastic Molecular Switching Events
单个随机分子切换事件期间电能到机械能转移的假设效率
  • DOI:
    10.1021/acsnano.0c04082
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Larson, Amanda M.;Balema, Tedros A.;Zahl, Percy;Schilling, Alex C.;Stacchiola, Dario J.;Sykes, E. Charles
  • 通讯作者:
    Sykes, E. Charles
Chirality at two-dimensional surfaces: A perspective from small molecule alcohol assembly on Au(111)
二维表面的手性:Au(111) 上小分子醇组装的视角
  • DOI:
    10.1063/1.5035500
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Liriano, Melissa L.;Larson, Amanda M.;Gattinoni, Chiara;Carrasco, Javier;Baber, Ashleigh E.;Lewis, Emily A.;Murphy, Colin J.;Lawton, Timothy J.;Marcinkowski, Matthew D.;Therrien, Andrew J.
  • 通讯作者:
    Therrien, Andrew J.
Controlling Molecular Switching via Chemical Functionality: Ethyl vs Methoxy Rotors
通过化学官能团控制分子开关:乙基与甲氧基转子
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.9b06664
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Balema, Tedros A.;Ulumuddin, Nisa;Murphy, Colin J.;Slough, Diana P.;Smith, Zachary C.;Hannagan, Ryan T.;Wasio, Natalie A.;Larson, Amanda M.;Patel, Dipna A.;Groden, Kyle
  • 通讯作者:
    Groden, Kyle
Evidence for biological effects in the radiosensitization of leukemia cell lines by PEGylated gold nanoparticles
  • DOI:
    10.1007/s11051-020-4765-1
  • 发表时间:
    2020-02-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Coughlin,Benjamin P.;Lawrence,Paul T.;Mace,Charles R.
  • 通讯作者:
    Mace,Charles R.
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