人工分子机器实现主动吸附

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科技日报北京10月24日电 (实习记者张佳欣)由美国西北大学化学家领导的研究小组在表面科学方面取得突破,开发出一种名为机械吸附的新吸附机制。研究表明,人工分子机器可实现主动吸附。研究结果在线发表在21日《科学》杂志上。

新研究展示了如何将人工分子机器(完全合成的分子部件,可以产生类似机器的运动)嫁接到表面上,以将环状分子高浓度聚集到表面,存储大量能量。这一技术在催化剂、能量储存和环境修复等方面至关重要。

机械吸附由非平衡泵送在吸附剂(表面)和吸附物(分子)之间形成机械键而得名,其对许多不同分子的储存和控制释放具有重要意义。这一新吸附机制利用氧化还原和酸碱化学反应将一系列环状分子精确地吸附和脱附在固态二维金属有机框架的表面上。

论文通讯作者、西北大学的弗雷泽·斯托达特爵士表示,这项研究是自20世纪30年代物理吸附和化学吸附成为研究的当务之急以来,表面化学领域的第一次重大基础性进展。

2016年,斯托达特与另外两名科学家因在分子机器的设计与合成方面取得突破而共同获得诺贝尔化学奖。他们发明了“全世界最小的机器”,将分子合成在一起,使其成为极微小的电机和传动装置,比一根头发丝的千分之一还要细。

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斯托达特说:“这种机械吸附机制与喷雾罐有一些共同的特点,在高压下储存,按下扳机就可以释放。”然而,机械吸附的物质即使在远离热力学平衡的情况下也能保持机械平衡。触发释放的机制只涉及扩散,且实际过程非常快。

在20世纪30年代,欧文·朗缪尔和约翰·伦纳德—琼斯观察到,吸附物通过范德华作用(物理吸附)和/或电子相互作用(化学吸附)与表面相互作用。吸附通常被认为是一个被动的过程,在这个过程中,吸附物从高浓度区向低浓度区移动,因此表面吸附物的浓度总是朝着平衡方向变化。然而,在此次研究中,研究人员证明,可以使用人工分子机器实现主动吸附。

这项技术为废物和污染物的隔离、贵金属的回收、多相催化、多种形式的化学和生物分析与分离科学,以及许多其他技术提供了基础,也为氢、二氧化碳和甲烷等气体的储存打开新局面。

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2016年的诺贝尔化学奖让人们知道了有一种纳米尺度上的机械装置,它们和宏观机器一样,但可以使细胞分裂,还可以像分子马达。科学家们正发挥想象力让这种小家伙更加智能,譬如有些能依据外部信号进行调节改变,又譬如本文中,能在固体表面实现主动募集和吸附分子。无疑,分子机器在发挥其巨大的潜在功能,就如化学家所言:其力量不在于我们去理解它,更在于去创造它,从而为人类制造出前所未有的分子和材料工具。

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