Materiais de alto desempenho para armazenamento de gás, isoladores térmicos ou nanomáquinas precisam de uma compreensão completa do comportamento do material até o nível molecular. Termodinâmica, que foram desenvolvidos há duzentos anos para aumentar a eficiência das máquinas a vapor, normalmente observa e calcula a média de um grande número de moléculas. Agora, uma equipe de cientistas desenvolveu uma metodologia, para investigar a termodinâmica de equilíbrio de moléculas individuais.

Na busca por materiais de alto desempenho para aplicações como armazenamento de gás, isolantes térmicos ou nanossistemas dinâmicos, é essencial compreender o comportamento térmico da matéria até o nível molecular. A termodinâmica clássica faz a média ao longo do tempo e em um grande número de moléculas. Dentro de um espaço tridimensional, moléculas individuais podem adotar um número quase infinito de estados, tornando a avaliação de espécies individuais quase impossível.

Agora, pesquisadores da Technische Universität München (TUM) e da Linköping University (LIU) desenvolveram uma metodologia, que permite explorar a termodinâmica de equilíbrio de moléculas individuais com resolução atômica em temperaturas apreciáveis. O estudo inovador é baseado em dois pilares:uma tecnologia que permite enjaular moléculas em nanoporos bidimensionais e uma modelagem computacional extensa.

Preso em duas dimensões

Na cadeira de Nanociência Molecular e Física Química de Interfaces da TU München, liderado pelo Prof. Dr. Johannes V. Barth, O PD Dr. Florian Klappenberger desenvolveu o método para produzir redes metal-orgânicas de alta qualidade em uma superfície de prata. A rede forma nanoporos que restringem a liberdade de movimento de moléculas únicas adsorvidas em duas dimensões. Usando a microscopia de varredura por tunelamento, os pesquisadores foram capazes de rastrear seus movimentos em diferentes temperaturas com resolução sub-nanométrica.

Paralelo aos experimentos, os pesquisadores trabalharam com sofisticados modelos de computador para descrever a dependência da dinâmica dessas moléculas isoladas com a temperatura. "Aplicamos cálculos de supercomputador de última geração para entender as interações e a paisagem energética que determinam o movimento das moléculas", disse Jonas Björk da Linköping University.

Comparando dados experimentais e modelados, os cientistas descobriram que, sob certas condições, a teoria integral se aproxima de uma projeção simples das posições moleculares no espaço. Esta abordagem é fundamental para a mecânica estatística, mas nunca antes foi desafiado a reproduzir um experimento, devido às posições e energias moleculares praticamente infinitas que é preciso considerar sem o confinamento em nanoescala.

Analogia com biologia

"Foi extremamente emocionante empregar redes bidimensionais como estratégia de confinamento para reduzir o espaço conformacional disponível de uma única molécula, como um acompanhante faz com uma proteína ", diz o Dr. Carlos-Andres Palma, o principal autor do estudo. "Em analogia à biologia, essa forma de tecnologia de confinamento tem o potencial de estabelecer sensores, nanomáquinas e possivelmente lógicas controladas por e feitas de distribuições moleculares. "

Aplicando seu conhecimento de configurações de equilíbrio características, os pesquisadores modularam cuidadosamente o nanopore, fazendo assim com que uma única molécula escreva letras do alfabeto, como L, Eu e u, apenas ajustando a temperatura.