Light driver enkelt-molekyle 3-hjulede motorer

Forskere ved Rice University og ved University of Graz, Østrig, kører på tre hjul, enkelt-molekyle "nanoroadsters" med lys og, for første gang, at se, hvordan de bevæger sig.

Rice lab af nanobilopfinderen og kemikeren James Tour syntetiserede lysdrevne nanobiler for seks år siden, men med hjælp fra eksperimentelle fysikere i Østrig, de er nu i stand til at køre flåder af enkelt-molekyle køretøjer på én gang.

En rapport om arbejdet vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

"Det er spændende at se, at motoriserede nanoroadstere kan drives frem af deres lysaktiverede motorer, " sagde Tour, som introducerede nanobiler i 2005 og motoriserede dem et år senere. "Disse trehjulede motorer er det første eksempel på, at letdrevne nanovehicles bliver observeret at køre hen over en overflade ved en hvilken som helst metode, endsige ved scanning tunneling mikroskopi."

I stedet for at køre dem kemisk eller med spidsen af ​​et tunnelmikroskop, som de vil gøre med andre køretøjer i det kommende internationale NanoCar Race i Toulouse, Frankrig, forskerne brugte lys ved bestemte bølgelængder til at flytte deres nanoroadsters langs en kobberoverflade. Køretøjerne har molekylære baghjulsmotorer, der roterer i én retning, når lys rammer dem. Rotationen driver køretøjet på samme måde som et skovlhjul på vandet.

Holdet ledet af Tour og Leonhard Grill, professor ved universitetet i Graz og tidligere ved Fritz-Haber-instituttet, Berlin, brugte bølgelængdefølsomme modificerede motorer opfundet af den hollandske videnskabsmand Bernard Feringa, som delte årets Nobelpris i kemi for sin molekylære maskine.

Fjernbetjening er nøglen til bilernes brugbare evner. "Hvis vi skal 'kable' bilen til en strømkilde, som en elektronstråle, vi ville miste meget af bilernes funktionalitet, " sagde Tour. "Ved at forsyne dem med lys frigøres de til at blive kørt overalt, hvor man kan skinne med et lys - og til sidst håber vi, at de vil bære last."

En anden fordel er muligheden for at aktivere flåder af nanobiler på én gang. "Det er præcis, hvad vi søger - at bruge et lys til at aktivere motorer og få sværme af nanovehicles, der bevæger sig hen over overfladen, gjort retningsbestemt gennem elektriske feltgradienter, " sagde Tour. "Dette ville give os mulighed for at bruge nanomaskiner som myrer, der arbejder kollektivt for at udføre byggeri."

Grill sagde, at fjernbetjening med lys eliminerer behovet for en lokal sonde, der skulle adressere molekylerne én efter én. "Desuden der kræves ingen "brændstof"-molekyler, der ville forurene overfladen og ændre diffusionsegenskaberne, " han sagde.

Tour har brugt modificerede Feringas motorer til at drive sit laboratoriums nanosubmersibles. I dette tilfælde, motoren er baghjulet. Han sagde, at den trehjulede konfiguration forenkler dens brug, fordi større nanobiler er sværere at sætte på en billedoverflade og ofte adskilles under aflejring under vakuum, ifølge Grill.

Eksperimenter af hovedforfatter Alex Saywell fra Grill-gruppen på nanoroadsters lavet på Rice viste et behov for en fin balance mellem lys og temperatur for at tillade "forbedret diffusion" af molekylerne i et vakuum.

Grill sagde, at brug af lys til at drive nanomaskiner giver en grundlæggende fordel - evnen til selektivt at inducere bevægelse på grund af motorernes følsomhed over for bølgelængde. Ultraviolet lys på 266 nanometer fordoblede roadsternes bevægelse sammenlignet med "kontrol" roadster-molekyler uden motorer. Ved 355 nanometer, det tredobledes.

Roadsters, lavet af 112 atomer, nåede en tophastighed på 23 nanometer i timen.

En overfladeaktiveringstemperatur på 161 kelvin (minus 170 grader Fahrenheit) viste sig bedst til køreforhold. Hvis temperaturen er for kold, roadsters ville holde sig til overfladen; for varme, og de ville diffundere tilfældigt uden hjælp fra motoren.

"Vi blev overraskede over den meget klare sammenhæng mellem den forbedrede bevægelse og tilstedeværelsen af ​​motoren, behovet for både varme og lys for at aktivere denne bevægelse - i perfekt overensstemmelse med konceptet med Feringa-motoren - og bølgelængdefølsomheden, der fint passer til vores forventninger fra spektroskopi i opløsning, " sagde Grill.