Транспорт молекул через наноразмерные поры играет важную роль во многих физических, химических и биологических процессах. Однако получить информацию о том, как это происходит на самом деле, довольно тяжело. Тяжело, но в принципе возможно. Современные методы просвечивающей электронной микроскопии позволяют следить за атомами и молекулами, когда они находятся внутри углеродных нанотрубок. А теперь японские исследователи сообщают о том, что им удалось наблюдать прохождение углеводородной цепочки сквозь наноразмерный дефект в стенке углеродной нанотрубки.
Ученые синтезировали молекулы фуллеренов с углеводородными хвостиками (рис. 1). Далее они взяли углеродные нанотрубки и обработали их горячим кислородом для того, чтобы открыть торцы. При этом также формировались нанопоры и дефекты в стенках нанотрубок. Потом эти нанотрубки вместе с хвостатыми фуллеренами были помещены в толуол и подверглись нагреванию. Результат пристально изучался при помощи просвечивающего электронного микроскопа с временным разрешением 0.5 с.
На рисунке 2 приведены изображения молекул внутри нанотрубки. И видится ученым, что углеводородные цепочки изогнуты так, чтобы лучше контактировать со стенкой трубки и тем самым сократить поверхностную энергию. Кроме того, цепочки вращаются и делают полный оборот примерно за 15 секунд.
Если вращающийся хвостик встречает отверстие в стенке, он вылезает наружу (рис. 3, 4). Но вращение продолжается, и цепочка через некоторое время втягивается обратно внутрь нанотрубки. Было установлено, что при 4 и 293 К движение молекул и их взаимодействие с порами протекают примерно одинаково, а также слабо зависят от типа хвостика, из чего исследователи заключили, что основную роль в движении молекул играет локальный нагрев нанотрубки электронным пучком. Но самое главное – была показано, что ПЭМ позволяет получать уникальную информацию о прохождении молекул через нанопоры. В данном случае молекулярный транспорт оказался обратимым процессом.
Работа «Imaging the passage of a single hydrocarbon chain through a nanopore» опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Мультики о приключениях хвостатых фуллеренов в углеродных нанотрубках можно посмотреть в дополнительной информации.
