Materiales de alto rendimiento para almacenamiento de gas, Los aislantes térmicos o nanomáquinas necesitan un conocimiento profundo del comportamiento del material hasta el nivel molecular. Termodinámica, que se han desarrollado hace doscientos años para aumentar la eficiencia de las máquinas de vapor, normalmente observa y promedia una gran cantidad de moléculas. Ahora, un equipo de científicos ha desarrollado una metodología, para investigar la termodinámica de equilibrio de moléculas individuales.

En la búsqueda de materiales de alto rendimiento para aplicaciones como almacenamiento de gas, aislantes térmicos o nanosistemas dinámicos es fundamental comprender el comportamiento térmico de la materia hasta el nivel molecular. La termodinámica clásica promedia a lo largo del tiempo y sobre un gran número de moléculas. Dentro de un espacio tridimensional, las moléculas individuales pueden adoptar un número casi infinito de estados, haciendo casi imposible la evaluación de especies individuales.

Ahora, investigadores de Technische Universität München (TUM) y Linköping University (LIU) han desarrollado una metodología, lo que permite explorar la termodinámica de equilibrio de moléculas individuales con resolución atómica a temperaturas apreciables. El estudio revolucionario se basa en dos pilares:una tecnología que permite enjaular moléculas dentro de nanoporos bidimensionales y un modelado computacional extenso.

Atrapado en dos dimensiones

En la Cátedra de Nanociencia Molecular y Física Química de Interfaces en TU München, dirigido por el Prof.Dr. Johannes V. Barth, El PD Dr. Florian Klappenberger desarrolló el método para producir redes organometálicas de alta calidad sobre una superficie plateada. La red forma nanoporos que restringen la libertad de movimiento de moléculas individuales adsorbidas en dos dimensiones. Usando microscopía de túnel de barrido, los investigadores pudieron rastrear sus movimientos a diferentes temperaturas con una resolución sub-nanométrica.

Paralelamente a los experimentos, los investigadores trabajaron con modelos informáticos sofisticados para describir la dependencia de la temperatura de la dinámica de estas moléculas atrapadas individuales. "Hemos aplicado cálculos de supercomputadora de última generación para comprender las interacciones y el paisaje energético que determina el movimiento de las moléculas", dice Jonas Björk de la Universidad de Linköping.

Comparando datos experimentales y modelados, los científicos desentrañaron que, bajo ciertas condiciones, la teoría integral se aproxima a una proyección simple de las posiciones moleculares en el espacio. Este enfoque es fundamental para la mecánica estadística, pero nunca antes se le ha desafiado a reproducir un experimento, debido a las posiciones y energías moleculares prácticamente infinitas que uno necesitaba considerar sin el confinamiento a nanoescala.

Analogía a la biología

“Fue extremadamente emocionante emplear redes bidimensionales como estrategia de confinamiento para reducir el espacio conformacional disponible de una sola molécula, como lo hace un acompañante con una proteína ", dice el Dr. Carlos-Andres Palma, el autor principal del estudio. "En analogía con la biología, tal forma de tecnología de confinamiento tiene el potencial de establecer sensores, nanomáquinas y posiblemente lógicas controladas y hechas de distribuciones moleculares ".

Aplicando su conocimiento de las configuraciones de equilibrio características, los investigadores modularon cuidadosamente el nanoporo, haciendo que una sola molécula escriba letras del alfabeto como L, Yo y tu simplemente ajustando la temperatura.