Einzelmolekül-Tribologie: Kraftmikroskopische Manipulation eines Porphyrinderivats auf einer Kupferoberfläche

Die mechanische Reaktion eines einzelnen Porphyrinmoleküls bei niedriger Temperatur, das an der Spitze einer Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) während vertikaler und lateraler Manipulationen befestigt ist, wird untersucht. Wir finden, dass Annäherungs-Rückzugs-Zyklen sowie Oberflächenabtastung mit der terminierten Spitze zu Reibungsmustern auf atomarer Ebene führen, die durch die internen Neuorientierungen des Moleküls induziert werden. Mit einem gemeinsamen experimentellen und rechnerischen Aufwand identifizieren wir die Dicyanophenylseitengruppen des Moleküls, die mit der Oberfläche interagieren, als den dominierenden Faktor, der das beobachtete Reibungsverhalten bestimmt. Zu diesem Zweck haben wir ein verallgemeinertes Prandtl-Tomlinson-Modell entwickelt, das mithilfe von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie parametrisiert wurde und die internen Freiheitsgrade der Seitengruppe in Bezug auf den Kern und seine Wechselwirkungen mit der darunter liegenden Oberfläche umfasst. Wir zeigen, dass das Reibungsmuster aus den Variationen der Bindungslänge und der Bindungswinkel zwischen der Dicyanophenylseitengruppe und dem Porphyrinrückgrat sowie denen der CN-Gruppe resultiert, die während der lateralen und vertikalen Bewegung der AFM-Spitze zur Oberfläche zeigt.