Mekanik af det uendeligt små:NanoGear, mod et molekylært gear

Gear og mekaniske transmissioner er hjemme i Emilia-Romagna-regionen, motordalen i det nordlige Italien. Et team af forskere fra University of Bologna og Institute for Organic Synthesis and Photoreactivity fra National Research Council (Cnr-Isof) i Bologna, ledet af Massimo Baroncini og Alberto Credi, har planlagt, konstrueret og drevet NanoGear, en enhed bestående af sammenlåste molekylære komponenter og designet til at fungere som et gear. Da molekyler er nanometriske objekter (1 nanometer =1 milliontedel af en millimeter), det er en overordentlig lille enhed:bestemt, det mindste udstyr, der nogensinde er produceret i det italienske motorland.

"Transmission og transformation af nanometriske bevægelser i biologiske molekyler er grundlaget for de vigtigste funktioner af levende organismer. Ikke desto mindre, disse fænomener er dårligt forstået i kunstige molekyler, fordi de er ekstremt vanskelige at identificere og observere. Konstruktionen af ​​molekylære enheder såsom NanoGear er et første skridt fremad mod udviklingen af ​​ultra-miniaturiserede mekaniske enheder baseret på molekylære motorer, med potentielle banebrydende applikationer inden for forskellige områder af teknologi og medicin ", siger Alberto Credi.

Enheden

NanoGear-molekylet tilhører klassen af ​​rotaxaner og består af tre komponenter:en ring, der kan glide langs en aksel, der bærer en rotor installeret i dens centrum.

"Ringen kan frit bevæge sig langs akslen i hele dens længde, men den kan ikke undslippe, fordi to omfangsrige grupper (stoppere) placeret ved enderne af akslen forhindrer den i at glide af. Rotoren kan frit dreje rundt om sin egen akse og har to forskellige 'blade' for at lette observation af bevægelsen, " forklarer Massimo Baroncini. "Det vigtigste designelement i NanoGear ligger i det faktum, at rotoren er direkte forbundet med aksen med en regulær kemisk (kovalent) binding, hvorimod ringen er mekanisk låst omkring aksen ved tilstedeværelsen af ​​stopperne. Både translationen af ​​ringen og rotationen af ​​rotoren er tilfældige svingninger bestemt af molekylets termiske energi; med andre ord, gearet er ikke koblet til nogen motor og fungerer "i neutral". Sofistikerede kernemagnetiske resonansteknikker blev brugt til at observere bevægelserne og måle deres hastigheder."

Ved 65 °C, ringen pendler fra den ene ende af akslen til den anden omkring 7 gange i minuttet, passerer over rotoren; på samme tid, sidstnævnte gennemfører omkring 260 rotationer. Derfor er de to bevægelser ikke synkroniserede; imidlertid, de påvirker hinanden gensidigt, som demonstreret af eksperimenter udført på molekyler, der ligner NanoGear, men uden rotoren eller ringen.

Et andet væsentligt og uventet resultat er effekten af ​​mediet, hvori molekylet er dispergeret:Ved at ændre opløsningsmidlet, en af ​​de to bevægelser bremses, mens den anden accelereres. En sådan 'specifik smøring' finder ingen overensstemmelse i den makroskopiske verden, og udgør en af ​​de ukonventionelle egenskaber ved nanoenheder, der kan føre til radikale teknologiske innovationer.

Projektet

Kunstige molekylære maskiner, tildelt Nobelprisen i kemi i 2016, konvertere energi fra en kilde til kontrollerede nanoskalabevægelser og er et af de mest slående resultater af nanoteknologi. For at udnytte disse bevægelser, imidlertid, passive elementer, der er i stand til at behandle dem og overføre dem til andre komponenter, som det sker i makroskopiske enheder, er nødvendige. I denne forskning, kemikere arbejder på samme måde som ingeniører og arkitekter, men at manipulere objekter en milliard gange mindre, da deres byggesten er atomer og molekyler.

NanoGear er resultatet af et projekt født for omkring fem år siden og er en del af en forskningsaktivitet, hvor Center for Light Activated Nanostructures (Clan), et fælles laboratorium for universitetet i Bologna og det italienske nationale forskningsråd, er et internationalt referencepunkt.

NanoGear blev skabt med støtte fra et Advanced Grant fra European Research Council (ERC), den mest prestigefyldte og konkurrencedygtige bevilling til videnskabelig forskning i Europa. I fortiden, det samme laboratorium havde allerede tiltrukket offentlig opmærksomhed ved at udvikle molekylærbaserede pumper ( Natur nanoteknologi , 2015) og svampe ( Naturkemi , 2015) drevet af lys. Den centrale rolle for forskningen udført i Bologna om emnet molekylære maskiner blev anerkendt under "MolecularMachinesDays"-arrangementet, afholdt i Bologna i november 2018 med deltagelse af de tre 2016 Nobelpristagere i kemi.

Resultaterne

Realiseringen af ​​kunstige enheder bestående af molekyler er af stor interesse for udviklingen af ​​nanoteknologi. "Som vist af resultaterne opnået i de seneste år i laboratorier verden over, nanoteknologi kan give os lettere og stærkere materialer, mindre og mere kraftfulde computere og robotter, bedre systemer til omdannelse og lagring af energi, nye metoder til medicinsk diagnostik og terapier, " siger Alberto Credi. "NanoGear er et lille, men betydningsfuldt skridt i denne retning. Selvom det i øjeblikket er svært at identificere en specifik brug af NanoGear, den grundforskning, der førte til dens udvikling, har et revolutionerende potentiale for videnskab og teknologi, der rækker langt ud over kortsigtede praktiske anvendelser."