3D-udskrivning gør nanomaskiner til arbejdere i stor størrelse

Ved hjælp af avanceret 3D-udskrivning, Dartmouth College forskere har låst op for nøglen til at omdanne mikroskopiske nanoringer til smarte materialer, der udfører arbejde i menneskelig skala.

Nanomaskiner kan allerede levere medicin og fungere som computerminder i den lille nanometer skala. Ved at integrere en 3D-trykningsteknik, der var banebrydende i Dartmouths Ke Functional Materials Group, forskere kan låse op for endnu større potentiale for disse mini-maskiner.

Forskningen blev offentliggjort den 22. marts i online -udgaven af Angewandte Chemie , det prestigefyldte tidsskrift for German Chemical Society.

"Indtil nu, at udnytte nanomaskinernes mekaniske arbejde har været ekstremt svært. Vi kommer langsomt tættere på det punkt, at de små maskiner kan fungere på en skala, som vi kan se, røre og føle. "sagde Chenfeng Ke, Adjunkt for kemi ved Dartmouth College og principforsker for forskningen.

I et eksempel fra Ke, den første generations smarte materiale løftede en skilling på 2,268 g. Mønten, 15 gange vægten af ​​strukturen, der løftede den, blev hævet 1,6 mm– svarende til, at et menneske løftede en bil.

"Oprettelse af nanomaskinebaseret smart materiale er stadig ekstraordinært komplekst, og vi er kun lige begyndt, men denne nye teknik kunne muliggøre design og fremstilling af komplekse smarte enheder, der i øjeblikket er uden for vores greb, "sagde Ke.

Designet af det nye materiale er baseret på nobelprisvindende forskning, der gjorde mekanisk sammenlåste molekyler (MIM'er) til arbejdsmaskiner på nanoskala. Tidligere har forskere har vist, hvor let, varme og ændrede pH -niveauer kan tvinge bevægelse inden for en struktur - kendt som en rotaxan - sammensat af ringe på en molekylær aksel. Stort set på samme måde som perler er trådet på en snor, glidning - eller shuttling - af ringe langs akslen får molekylerne til at ændre form og lagre energi.

Ifølge avisen, MIM'er bruges allerede i vid udstrækning som molekylære shuttles, afbrydere, muskler og pumper. Men i årevis, kemikere er blevet dæmpet af problemet med at bestille deres tilfældige positioner. Etablering af en sådan orden er afgørende for at forhindre strukturer i at annullere hinandens mekaniske bevægelse, så deres molekylære bevægelser kan forstærkes.

"Vores arbejde giver det første designprincip for at tilføje 3D-printbarhed til nanomaskiner. Det er vigtigt, vi har også omdannet molekylære bevægelser til makroskala for at udføre nyttigt arbejde, "sagde Ke, der lavede sin postdoktorale forskning med en af ​​2016 nobelpristagere, Sir Fraser Stoddart.

Forskningsgruppen designede og syntetiserede MIM-baserede geler med egenskaber, der var ønskelige til 3D-udskrivning. Ved hjælp af hydrogenbindingsinteraktionerne mellem nanoringer, de trykte med succes gitterlignende 3-D strukturer. Ved at tværbinde akslerne, strukturer med god 3D-strukturel integritet og mekanisk stabilitet blev skabt.

Forskere fandt ud af, at den komplekse 3D-arkitektur af disse strukturer kan deformeres og reformeres reversibelt gennem opløsningsmiddeludveksling, der skifter den trådede ringstruktur mellem tilfældig shuttling og stationære tilstande på molekylært niveau. Denne formændrende og genoprettende adfærd viste sig at kunne gentages let mange gange.

"Ligesom at flytte perler for at styrke eller svække en snor, denne handling er kritisk, fordi den tillader forstærkning af molekylær bevægelse til makroskopisk bevægelse gennem omdannelse af kemisk energiindgang til mekanisk arbejde, "sagde Qianming Lin, den første forfatter til papiret og en førsteårs kandidatstuderende i Institut for Kemi ved Dartmouth College.

Ke og hans team håber, at dette fremskridt vil sætte forskere i stand til at udvikle smarte materialer og enheder. For eksempel, ved at tilføje sammentrækning og vridning til den stigende bevægelse, molekylære maskiner kan være nyttige som bløde robotter, der udfører komplicerede opgaver, der ligner en menneskelig hånd.