Как управлять фуллереном с помощью молекулы воды и электрического поля

Китайские учёные путём численного моделирования обнаружили неожиданный эффект: если внутрь молекулы фуллерена поместить молекулу воды, то такой системой можно управлять при помощи внешнего электрического поля, несмотря на то, что её полный заряд равен нулю.

Молекула воды внутри фуллерена.
Молекула воды внутри фуллерена.

Напомню, что фуллерен представляет собой забавное соединение, состоящее из 60 атомов углерода, объединённых в некое подобие футбольного мяча. Поскольку размер такой молекулы довольно велик — около 1 нм в диаметре, то внутрь неё можно помещать другие, относительно небольшие молекулы, например, воду. Для этого химическим способом фуллерен раскрывают, под большим давлением туда залетает молекула воды, а затем его закрывают. Эта технология была разработана всего пару лет назад, а новое вещество получило название H2O@C60.

Теперь учёные занимаются исследованием подобной структуры. В основном для этого применяется компьютерное моделирование. При этом учитывается взаимодействие каждого атома углерода с каждым атомом молекулы воды, но структура фуллерена считается жёсткой, поскольку его размеры значительно превышают размер молекулы воды.

Как показывает моделирование, в равновесии молекула воды располагается в центре фуллерена, однако из-за тепловых флуктуаций её ориентация в пространтсве непрерывно случайным образом изменяется.

Далее учёные попробовали поместить эту систему в небольшое электрическое поле. Как известно, молекула воды обладает электрическим диполем: на атоме кислорода скапливается небольшой минус, а на атомах водорода — небольшой плюс. Из-за этого в электрическом поле молекула воды обычно начинает совершать небольшие осцилляции называемые либрацией. Приблизительно так же, как наблюдаемая нами Луна немного колеблется из-за того, что двигается не по точно круговой орбите, а её ось вращения не строго перпендикулярна плоскости вращения вокруг Земли (из-за этого, кстати, «тёмная сторона Луны», которую мы никогда не видим, составляет не 50% её поверхности, а только лишь 41%). Наглядно либрация Луны представлена на анимации ниже.

Либрации Луны.
Либрации Луны.

Неожиданно оказалось, что помещённая в фуллерен молекула воды не совершает таких колебаний, а вместо этого очень быстро выстраивается вдоль направления поля. Более того, вся структура H2O@C60 начала двигаться вдоль направления поля так, будто бы обладала зарядом, хотя, конечно же, была электрически нейтральна. Ещё интереснее то, что когда величину поля увеличили, фуллерен начал двигаться в обратную сторону.

Такое поведение пока не получило в полной мере удовлетворительного объяснения, однако открывает широкие возможности для манипулирования молекулами фуллерена в наноструктурах.


Источник: Physics — Pushing a Fullerene through a Nanotube

comments powered by Disqus