由美國西北大學化學家領導的研究小組在表面科學方面取得突破，開發(fā)出一種名為機械吸附的新吸附機制。研究表明，人工分子機器可實現(xiàn)主動吸附。研究結(jié)果在線發(fā)表在21日《科學》雜志上。
新研究展示了如何將人工分子機器(完全合成的分子部件，可以產(chǎn)生類似機器的運動)嫁接到表面上，以將環(huán)狀分子高濃度聚集到表面，存儲大量能量。這一技術(shù)在催化劑、能量儲存和環(huán)境修復等方面至關重要。
機械吸附由非平衡泵送在吸附劑(表面)和吸附物(分子)之間形成機械鍵而得名，其對許多不同分子的儲存和控制釋放具有重要意義。這一新吸附機制利用氧化還原和酸堿化學反應將一系列環(huán)狀分子精確地吸附和脫附在固態(tài)二維金屬有機框架的表面上。
論文通訊作者、西北大學的弗雷澤·斯托達特爵士表示，這項研究是自20世紀30年代物理吸附和化學吸附成為研究的當務之急以來，表面化學領域的第一次重大基礎性進展。
2016年，斯托達特與另外兩名科學家因在分子機器的設計與合成方面取得突破而共同獲得諾貝爾化學獎。他們發(fā)明了“全世界最小的機器”，將分子合成在一起，使其成為極微小的電機和傳動裝置，比一根頭發(fā)絲的千分之一還要細。
斯托達特說：“這種機械吸附機制與噴霧罐有一些共同的特點，在高壓下儲存，按下扳機就可以釋放。”然而，機械吸附的物質(zhì)即使在遠離熱力學平衡的情況下也能保持機械平衡。觸發(fā)釋放的機制只涉及擴散，且實際過程非常快。
在20世紀30年代，歐文·朗繆爾和約翰·倫納德—瓊斯觀察到，吸附物通過范德華作用(物理吸附)和/或電子相互作用(化學吸附)與表面相互作用。吸附通常被認為是一個被動的過程，在這個過程中，吸附物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，因此表面吸附物的濃度總是朝著平衡方向變化。然而，在此次研究中，研究人員證明，可以使用人工分子機器實現(xiàn)主動吸附。
這項技術(shù)為廢物和污染物的隔離、貴金屬的回收、多相催化、多種形式的化學和生物分析與分離科學，以及許多其他技術(shù)提供了基礎，也為氫、二氧化碳和甲烷等氣體的儲存打開新局面。
總編輯圈點
2016年的諾貝爾化學獎讓人們知道了有一種納米尺度上的機械裝置，它們和宏觀機器一樣，但可以使細胞分裂，還可以像分子馬達。科學家們正發(fā)揮想象力讓這種小家伙更加智能，譬如有些能依據(jù)外部信號進行調(diào)節(jié)改變，又譬如本文中，能在固體表面實現(xiàn)主動募集和吸附分子。無疑，分子機器在發(fā)揮其巨大的潛在功能，就如化學家所言：其力量不在于我們?nèi)ダ斫馑谟谌?chuàng)造它，從而為人類制造出前所未有的分子和材料工具。
