研究人员利用中子光谱学揭示了三苯基膦在石墨上独特的、像月球着陆器一样的运动，促进了我们对分子运动及其在材料科学中的应用的理解。图片来源:德国格拉茨工业大学

　　研究人员利用来自伊利诺伊大学的中子光谱数据，在纳米尺度上获得了对分子运动的开创性见解，提供了可能影响未来材料和技术发展的新视角。这项研究最近发表在《通讯化学》杂志上。

　　多年来，科学家们一直对分子如何在表面上移动很感兴趣。该工艺对许多应用至关重要，包括催化和纳米级器件的制造。

　　现在，利用在劳-朗格万研究所(ILL)进行的中子光谱实验和先进的理论模型和计算机模拟，格拉茨理工大学安东Tamt?gl领导的一个团队揭示了三苯基膦(PPh3)分子在石墨表面的独特运动，这种行为类似于纳米级月球着陆器。

　　事实上，PPh3分子表现出一种非凡的运动形式，以挑战先前理解的方式滚动和翻译。这种类似月球着陆器的运动似乎是由于它们独特的几何形状和与表面的三点结合而促进的。

　　安东Tamt?gl透露:“深入研究石墨表面分子运动的复杂世界是一个令人兴奋的旅程，”他补充说:“测量和模拟揭示了分子的复杂运动和'舞蹈'，为我们提供了对表面动力学的更深入了解，并为材料科学和纳米技术开辟了新的视野。”

　　在俯视图中，从300 K温度下的分子动力学模拟中提取的视频显示了单个三苯基膦分子在石墨上的运动。图片来源:德国格拉茨工业大学

　　三苯基膦在工业中的作用

　　三苯基膦是合成有机化合物和纳米颗粒的重要分子，具有广泛的工业应用。这种分子呈现出一种奇特的几何形状:PPh3呈金字塔状，其三个环状原子群呈螺旋桨状排列(见图)。

　　中子为研究材料的结构和动力学提供了独特的可能性。在一个典型的实验中，从样品中散射出来的中子被测量为它们方向和能量变化的函数。由于它们的低能中子是研究分子旋转和扩散等低能激发的优良探针。中子光谱测量在ILL仪器IN5 (TOF光谱仪)和IN11(中子自旋回波光谱仪)上进行。

　　图示石墨上的单个三苯基膦分子。图片来源:德国格拉茨工业大学

　　“看到ILL的强大光谱仪如何让我们跟踪这些迷人的分子系统的动态，即使样品的数量很小，这是令人惊讶的，”ILL的科学家彼得·福奎特说，解释说“中子束不会破坏这些敏感的样品，并允许与计算机模拟进行完美的比较。”

　　研究表明，PPh3分子与石墨表面相互作用，使它们能够以惊人的低能垒移动。运动的特点是分子的旋转和平移(跳跃运动)。当旋转和分子内运动在300 K左右占主导地位时，分子在350-500 K之间沿着表面进行额外的平移跳跃运动。

　　在纳米尺度上理解分子运动的详细机制为制造具有定制性能的先进材料开辟了新的途径。除了基本的兴趣外，PPh3和相关化合物在石墨表面的运动对应用也很重要。

　　参考文献:“通过石墨上三苯基膦的平移和旋转的纳米级月球探测器的分子运动”，作者:Anton Tamt?gl, Marco Sacchi, Victoria Schwab, Michael M. Koza和Peter Fouquet, 2024年4月6日，通讯化学。DOI: 10.1038 / s42004 - 024 - 01158 - 7