西北大学
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西北大学化学家领导的一个研究小组通过引入一种新的吸附活性机制，在表面科学方面取得了突破
这种基于吸附的现象，其中分子被吸引到固体表面上，对于今天的催化剂、能量存储和环境修复是必不可少的
这项研究展示了嫁接在表面的人工分子机器——产生类似机器运动的完全合成的分子组件——是如何被用来以非常高的浓度在这些表面上主动招募分子，从而储存大量能量的
这种新的吸附机制被称为机械吸附，是由于非平衡抽吸在吸附剂(表面)和被吸附物(分子)之间形成机械结合而产生的
这项名为“由泵送盒驱动的主动机械吸附”的研究细节将于10月1日在线发布
21发表在《科学》杂志上
该机制使用氧化还原(即
e
还原，随后氧化)和酸碱化学，以将一系列环精确地吸附和解吸到固态二维金属-有机框架(MOF)的表面上和表面外
在这项研究中，被带到表面的分子是环，但是可以预期的是，该方法可以通过首先功能化环而被推广到包括许多其他分子
西北大学的弗雷泽·斯托达特爵士(Sir Fraser Stoddart)说:“这项研究的重要性在于，它是表面化学的第一个重大基础进展，因为物理吸附和化学吸附——两者都是基于平衡的现象——在20世纪30年代是当时的主流。”他因参与分子机器的设计和合成而获得2016年诺贝尔化学奖
温伯格文理学院董事会化学教授斯托达特是这项调查的相应作者，他与缅因州大学物理和天文系的理论家迪恩·阿斯图米安教授和西北大学化学教授奥马尔·法哈合作
斯托达特实验室的博士后梁峰和邱云燕是该论文的共同第一作者
斯托达特说:“有充分的理由相信，机械吸附的概念总有一天会引起教科书般的关注。”
“如果化学家们能够研究出如何将机械吸附纳入活性结构，那么氢气、二氧化碳和甲烷等气体的储存将进入一个全新的世界，完全成为一种不同的游戏。”
" 这项研究说明了理论与实验相结合所产生的协同效应
泵送盒的想法源于阿斯图米安对振荡电场对膜结合酶的影响的考虑
(泵送盒可以比作一个“山谷”，其“底部”可以上下移动，周围有两个“山口”，其高度可以升高和降低，这样分子就被迫向一个方向移动
)这种分子装置是在斯托达特的实验室中合成实现的，使用轮烷——长的哑铃形分子——在一端或两端终止，环的识别位点被两个基团包围，在环在溶液中游动的本体和聚合物链之间提供动力学屏障，在每个氧化还原循环后，环在聚合物链中一次收集一个
重要的是，这些形成障碍的群体可以被设计成对环境的变化做出不同的反应
这些泵送盒可以被结合到许多类型的聚合物链上，产生许多可能的应用
机械吸附对于许多不同分子的储存和控制释放具有重要意义
这项工作的重点是将环分子募集到表面，但预计这些环可以被功能化，以将许多不同类型的高浓度分子带到表面
斯托达特说:“机械吸附机制具有喷雾罐的一些共同特征，不同的材料在高压下储存，然后通过按压扳机释放。”
然而，机械吸附的物质即使在远离热力学平衡的情况下仍保持机械平衡
触发释放的机制只涉及扩散，这一过程虽然从宏观角度看似乎很慢，但在这些系统中却非常快
" 缅因州大学的阿斯图米安指出，这项研究对于理解化学中最深刻的问题之一也很重要
"简单事物变复杂的原理是什么？"他说
“一个关键点是，虽然热力学决定了最有可能接近平衡的结构，但当远离平衡时，动力学在选择结构方面起着主导作用
" 20世纪30年代，欧文·朗缪尔和约翰·伦纳德-琼斯观察到吸附质通过范德华相互作用(物理吸附)和/或电子相互作用(化学吸附)与表面相互作用
吸附一般认为是吸附质从高浓度区向低浓度区移动的被动过程，因此表面吸附质的浓度总是向平衡方向变化
然而，在西北大学的研究中，研究人员证明了使用人工分子机器可以实现主动吸附
共同第一作者冯说:“机械吸附在技术中的潜在效用，如化学电容器，将提供一种全新的方式，在以前从未想象过的表面上存储和操纵能量、信息和物质。”
“机械键的出现给化学和材料科学都带来了巨大的波动
再过一段时间，在物理吸附和化学吸附主宰表面和界面科学的一个世纪结束后，一般的吸附领域将发生深刻的变化
" 合著者邱补充道，“这项研究是利用人工分子泵将分子主动招募和吸附到固体表面的第一个例子，并为在一系列功能材料表面操作人工分子机器打开了大门，从沸石和金属氧化物到聚合物网络和胶束纳米粒子
" 熟悉这项工作但没有参与研究的专家指出了这项研究的重要性及其潜在的应用
英国曼彻斯特大学皇家学会研究教授大卫·利说:“将化学物质从溶液中提取到固体和表面，为废物和污染物的隔离、贵金属的回收、多相催化、多种形式的化学和生物分析和分离科学以及众多其他技术奠定了基础。”
他说:“到目前为止，还没有办法积极推动这种过程，但是分子机械的使用改变了这种情况，通过一种机制，西北大学团队称之为‘机械吸附’。”
“小型化推动了各个时代的技术进步，使用分子大小的机器——分子纳米技术——来驱动吸附肯定会延续这一趋势
" 德克萨斯大学奥斯汀分校多赫蒂-韦尔奇化学讲座教授乔纳森·塞斯勒谈到这项研究时说:“它改变了游戏规则
它开启了分离领域至关重要且典型的高能耗领域的新篇章
作者团队首次表明，可以使用机械连接的泵送策略来集中高电荷物质对抗库仑梯度
“使用电化学方法来驱动这种化学失衡过程，开辟了直接使用太阳能来实现分离的可能性，”塞斯勒说
“最终，这种方法可以实现对碳氢化合物、二氧化碳和微污染物等关键工业目标的经济高效的捕获、修复和净化
短期来看，抗衡离子效应可能被用于驱动阴离子识别，而不对称和非外消旋螺纹实体的使用可能允许手性分离
机会似乎是无穷无尽的
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