Étude du mouvement des fullerènes sur des substrats d'or activés thermiquement et de différentes formes

Sep 12, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14397 (2022) Citer cet article

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Dans la présente étude, le régime de mouvement des molécules de fullerène sur des substrats de formes différentes dans une plage de températures spécifiques a été étudié. Pour ce faire, l’énergie potentielle des molécules de fullerène a été analysée à l’aide de la méthode classique de dynamique moléculaire. Les molécules de fullerène C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 et C90 ont été sélectionnées en raison de leurs formes sphériques de tailles différentes. De plus, pour analyser complètement le comportement de ces molécules, différents substrats en or, notamment les substrats plats, concaves, le côté supérieur de la marche (marche ascendante) et l'envers des substrats de la marche (marche descendante), ont été pris en compte. Spécifier le régime du mouvement à différentes températures est l'un des principaux objectifs de cette étude. À cette fin, nous avons étudié indépendamment les mouvements de translation et de rotation des molécules de fullerène. Dans la première étape de l’enquête, l’énergie potentielle de Lennard-Jones des molécules de fullerène a été calculée. Par la suite, le régime de mouvement des différents fullerènes a été classé en fonction de leur déplacement et de leur vitesse de glissement. Nos résultats ont indiqué que le C60 est approprié dans moins de \(5\%\) des conditions. Cependant, les molécules C20, C76 et C80 se sont révélées être des candidates appropriées dans la plupart des cas dans différentes conditions, alors qu'elles n'étaient incompétentes que dans sept situations. En ce qui concerne un mouvement en ligne droite, la géométrie concave a démontré de meilleures performances par rapport aux autres substrats. De plus, C72 a indiqué des performances moins favorables concernant la plage de mouvement et les coefficients de diffusion. Dans l’ensemble, notre enquête permet de comprendre les performances de différentes molécules de fullerène sur des substrats en or et de trouver leur application probable, notamment en tant que roue dans les structures de nanomachines.

La manipulation de matériaux à l'échelle nanométrique devient de plus en plus intéressante pour divers objectifs technologiques, grâce au développement rapide des nano-robots. Ces dernières années, de nombreux mécanismes de transport ont été suggérés pour transporter des particules de taille nanométrique1. Cependant, la plupart de ces approches se sont révélées inefficaces pour plusieurs raisons. Premièrement, pratiquement tous les nanomanipulateurs créés sont plusieurs fois plus grands que leur charge utile, ce qui est contraire aux performances des nanomanipulateurs naturels1,2. Dans la nature, des molécules du même ordre de grandeur, voire plus petites, sont capables de transporter des atomes et des molécules. La kinésine, par exemple, est une petite protéine capable de transporter correctement des charges utiles assez importantes3,4. Deuxièmement, ils sont incapables de travailler simultanément sur un grand nombre de particules2.

James Tour et coll. assemblé plusieurs moteurs moléculaires dans le but de transporter d’autres matériaux à l’échelle nanométrique5,6,7,8,9. Ces machines moléculaires fabriquées ont reçu des noms tels que nanocars, nanotrucks ou d'autres noms en raison de leur similitude avec de vraies voitures parmi les chercheurs2,6,10. Diverses nanomachines ont été développées, chacune ayant une forme et un nombre de roues différents. La première génération de nanovoitures synthétisées se déplaçait à l'aide de roues en fullerène11,12. Le C60 est une molécule bien connue dont la mobilité sur divers substrats a été illustrée dans un certain nombre d'études expérimentales et informatiques12,13. De plus, le mouvement du C60 sur des substrats de graphène, de silicone et d’or a déjà été étudié14,15,16,17. Cependant, les nanovoitures à roues fullerène ont montré des performances plus rentables sur le substrat en or en raison de leur stabilité et de leur conductivité13. Des nano-machines à quatre ou trois roues avec du C60 comme roue ont été fabriquées de manière significative dans des études antérieures sur ces nano-machines5. Vaezi et al.18 ont étudié le mouvement de la molécule C60 sur le substrat de nitrure de bore à différentes températures. Ils ont indiqué qu'à mesure que la température augmentait, le mouvement de roulement devenait plus important que le mouvement de revêtement, et que la plage de mouvement et les coefficients de diffusion devenaient plus grands. Malgré les progrès réalisés dans l'étude du C60, le régime de mouvement des autres fullerènes n'a pas été étudié en détail. Ainsi, il semble nécessaire d’étudier la mobilité d’autres molécules de fullerène sur différents substrats afin d’évaluer leurs applications éventuelles. Par exemple, Wang et al.19 ont étudié le mouvement des fullerènes C60, C72, C180, C240 ​​et C260 sur le substrat de graphène. Ils ont démontré que toutes les molécules atteignaient l’extrémité du substrat avec une vitesse maximale et commençaient à fluctuer à ce stade. Par conséquent, ces molécules peuvent être utilisées dans la construction de nano-commutateurs haute fréquence, dans le transport de nanoparticules ou dans des composants de nano-robots.