Investigação do movimento do fulereno em substratos de ouro termicamente ativados com diferentes formatos

Sep 12, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14397 (2022) Citar este artigo

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No presente estudo, foi investigado o regime de movimento das moléculas de fulereno em substratos com diferentes formatos em uma faixa de temperaturas específicas. Para tanto, a energia potencial das moléculas de fulereno foi analisada utilizando o método clássico de dinâmica molecular. As moléculas de fulereno C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 e C90 foram selecionadas devido às suas formas esféricas com tamanhos diferentes. Além disso, para analisar completamente o comportamento dessas moléculas, foram considerados diferentes substratos de ouro, incluindo substratos planos, côncavos, o lado superior do degrau (degrau ascendente) e o lado inferior do degrau (degrau descendente). Especificar o regime do movimento em diferentes temperaturas é um dos principais objetivos deste estudo. Para este propósito, estudamos os movimentos de translação e rotação das moléculas de fulereno de forma independente. Na primeira etapa da investigação, foi calculada a energia potencial de Lennard-Jones das moléculas de fulereno. Posteriormente, o regime de movimento dos diferentes fulerenos foi classificado, com base no seu deslocamento e velocidade de deslizamento. Nossas descobertas indicaram que C60 é apropriado em menos de \(5\%\) das condições. No entanto, descobriu-se que as moléculas C20, C76 e C80 eram candidatas apropriadas na maioria dos casos em diferentes condições, enquanto eram incompetentes apenas em sete situações. No que diz respeito ao movimento retilíneo, a geometria côncava demonstrou melhor desempenho em comparação aos demais substratos. Além disso, C72 indicou desempenho menos favorável quanto à amplitude de movimento e coeficientes de difusão. Em suma, a nossa investigação ajuda a compreender o desempenho de diferentes moléculas de fulereno em substratos de ouro e a encontrar a sua provável aplicação, especialmente como roda em estruturas de nanomáquinas.

A manipulação de materiais em escala nanométrica está se tornando cada vez mais atraente para vários objetivos tecnológicos, graças ao rápido desenvolvimento de nanorrobôs. Nos últimos anos, foram sugeridos vários mecanismos de transporte para transportar partículas de tamanho nanométrico1. No entanto, a maioria dessas abordagens era incompetente por vários motivos. Primeiro, praticamente todos os nanomanipuladores criados são várias ordens de magnitude maiores que a sua carga útil, o que é contrário ao desempenho dos nanomanipuladores naturais . Na natureza, moléculas da mesma ordem de grandeza ou até menores são capazes de transportar átomos e moléculas. A cinesina, por exemplo, é uma proteína pequena que pode transportar adequadamente cargas úteis bastante grandes3,4. Em segundo lugar, são incapazes de trabalhar simultaneamente num grande número de partículas2.

James Tour et al. montou diversos motores moleculares com o objetivo de transportar outros materiais em nanoescala5,6,7,8,9. Essas máquinas moleculares fabricadas obtiveram nomes como nanocarros, nanotrucks ou outros nomes devido à sua semelhança com carros reais entre os pesquisadores2,6,10. Várias nanomáquinas foram desenvolvidas, cada uma com formato e número de rodas diferentes. A primeira geração de nanocarros sintetizados movia-se com auxílio de rodas de fulereno11,12. C60 é uma molécula bem conhecida cuja mobilidade em vários substratos foi ilustrada em vários estudos experimentais e computacionais . Além disso, o movimento do C60 em substratos de grafeno, silicone e ouro foi estudado anteriormente . No entanto, os nanocarros com rodas de fulereno mostraram um desempenho mais rentável no substrato de ouro devido à sua estabilidade e condutividade . Nanomáquinas de quatro ou três rodas com C60 como roda foram fabricadas significativamente em estudos anteriores dessas nanomáquinas5. Vaezi et al.18 investigaram o movimento da molécula C60 no substrato nitreto de boro em diferentes temperaturas. Eles indicaram que à medida que a temperatura aumentava, o movimento de rolamento tornou-se mais significativo do que o movimento lateral, e a amplitude do movimento e os coeficientes de difusão tornaram-se maiores. Apesar dos progressos alcançados no estudo do C60, o regime de movimento de outros fulerenos não foi investigado detalhadamente. Assim, parece amplamente necessário investigar a mobilidade de outras moléculas de fulereno em diferentes substratos para avaliar as suas aplicações contingentes. Por exemplo, Wang et al.19 investigaram o movimento dos fulerenos C60, C72, C180, C240 ​​e C260 no substrato de grafeno. Eles demonstraram que todas as moléculas atingiram o final do substrato com velocidade máxima e começaram a flutuar nesse ponto. Conseqüentemente, essas moléculas podem ser utilizadas na construção de nano-interruptores de alta frequência, transporte de nanopartículas ou componentes de nano-robôs.