由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理，在表面科学上取得了突破性进展。这种以吸附为基础的现象，即分子被吸引到固体表面上，对于当今的催化剂、能源储存和环境修复至关重要。
这项研究表明，人工分子机器——完全合成的分子组件，可以产生机器般的运动——嫁接在表面上，可以用非常高浓度的分子主动招募到这些表面上，从而储存大量的能量。
这种新的吸附机理被称为机械吸附，它是由非平衡泵送的结果，在吸附剂(表面)和吸附质(分子)之间形成机械键。这项名为“泵送磁带驱动的主动机械吸附”的研究的细节将于10月21日在线发表在《科学》杂志上。
该机制使用氧化还原(即先还原后氧化)和酸碱化学，在固态二维金属-有机框架(MOF)的表面上精确地吸附和解吸一系列环。在这项研究中，带到表面的分子是环，但预计该方法可以推广到包括许多其他分子，通过功能化环开始。
“这项研究的重要性在于，它是自物理吸附和化学吸附(两者都是基于平衡的现象)以来，表面化学领域的第一个重大的基础进展是20世纪30年代的潮流，”西北大学的弗雷泽·斯托达特爵士说。斯托达特因其在分子机器设计和合成方面的工作而获得2016年诺贝尔化学奖。
斯托达特，温伯格艺术与科学学院的董事会化学教授，是这项调查的通讯作者，与缅因大学教授迪恩·阿斯图米安合作，他是物理和天文系的理论家，奥马尔·法哈，财政部化学专家，西北大学化学教授。斯托达特实验室的博士后冯亮和邱云燕是这篇论文的共同第一作者。
斯托达特说:“我们有充分的理由相信，机械吸附的概念有一天会引起教科书的注意。”“如果化学家能够研究出机制吸附是如何被纳入活性结构的，那么像氢、二氧化碳和甲烷这样的气体的储存将进入一个全新的世界，成为一个完全不同的游戏。”
研究说明了理论与实验相结合所产生的协同效应。泵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。(抽水盒式磁带可以比作一个“山谷”，它的“谷底”可以上下移动，周围环绕着两个“山口”，山口的高度可以升高或降低，这样分子就只能朝一个方向移动。)这个分子装置是在Stoddart的实验室用轮烷(一种长哑铃状的分子)综合实施的在环的一端或两端都有一个识别位点，以在环在溶液中游动和聚合物链之间提供动力学障碍，在每个氧化还原循环之后，环被一个一个地收集起来。重要的是，这些形成障碍的群体可以被设计成对环境变化做出不同的反应。这些泵送盒可以整合到许多类型的聚合物链上，从而产生了许多可能的应用。
机械吸附对许多不同分子的储存和控制释放具有重要意义。本研究的重点是环分子在表面的招募，但预计这些环可以功能化，在高浓度下将许多不同类型的分子带到表面。
“机械吸附机制与喷雾罐有一些共同的特点，”Stoddart说，“不同的材料在高压下储存，然后按下触发器释放。然而，机械吸收的物质，即使被包装远离热力学平衡，仍然保持在机械平衡。触发释放的机制只涉及扩散，这一过程从宏观角度来看看似缓慢，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层的问题之一也很重要。“是什么原理使简单的物质变得复杂?”他说。“关键的一点是，虽然热力学决定了最可能接近平衡的结构，但动力学在选择远离平衡的结构方面起着主导作用。”
20世纪30年代，Irving Langmuir和John Lennard-Jones观察到吸附物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。吸附通常被认为是一个吸附质从高浓度区域向低浓度区域移动的被动过程，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，研究人员证明了活性吸附可以通过人工分子机器实现。
“机械吸附在技术上的潜在用途，如化学电容器，将提供一种全新的方式来存储和操纵表面上的能量、信息和物质，这是以前从未想象过的，”联合第一作者冯说。“机械键的出现在化学和材料科学领域掀起了巨大的波澜。在近一个世纪的时间里，物理吸附和化学吸附占据了表面和界面科学的主导地位，再过一段时间，吸附的一般领域将见证深刻的变化。”
第一作者邱补充说:“这项研究是利用人工分子泵主动吸收和吸附分子到固体表面的第一个例子，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颗粒。”
熟悉这项工作但未参与研究的专家指出了这项研究的意义及其潜在应用。
“将化学物质从溶液中提取到固体和表面，支撑着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，以及许多其他技术，”英国曼彻斯特大学皇家学会研究教授大卫·利说。
他说:“到目前为止，还没有办法积极推动这种过程，但分子机制的使用改变了这一点，通过西北大学团队称之为‘机械吸附’的机制。”“多年来，微型化推动了技术的进步，而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。”
Jonathan Sessler，德克萨斯大学奥斯丁分校化学Doherty-Welch主席，谈到这项研究时说:“这是一个游戏规则的改变者。它在极为重要和典型的能源密集的分离领域开辟了一个新的篇章。作者团队首次表明，可以利用机械连接泵送策略，在库仑梯度下集中高电荷物种。
Sessler说:“利用电化学方法来驱动这种化学非平衡过程，开启了直接利用太阳能来实现分离的可能性。”“最终，这种方法可以实现具有成本效益的捕获、修复和净化关键工业目标，如碳氢化合物、二氧化碳和微污染物。短期来看，反离子效应可能用于驱动阴离子识别，而非对称和非外消旋螺纹实体的使用可能允许手性分离。机会似乎无穷无尽。”
