Verdens mindste elektriske motor lavet af et enkelt molekyle

Kemikere ved Tufts University's School of Arts and Sciences har udviklet verdens første enkeltmolekyle elektriske motor, en udvikling, der muligvis kan skabe en ny klasse af enheder, der kan bruges i applikationer lige fra medicin til teknik.

I forskning offentliggjort online september 4 in Natur nanoteknologi, Tufts-holdet rapporterer en elektrisk motor, der måler kun 1 nanometer i tværs, banebrydende arbejde i betragtning af, at den nuværende verdensrekord er en 200 nanometer motor. Et enkelt hårstrå er omkring 60, 000 nanometer bred.

Ifølge E. Charles H. Sykes, Ph.D., lektor i kemi ved Tufts og seniorforfatter på papiret, holdet planlægger at indsende den Tufts-byggede elektriske motor til Guinness World Records.

"Der er sket betydelige fremskridt i konstruktionen af ​​molekylære motorer drevet af lys og kemiske reaktioner, men det er første gang, at elektrisk drevne molekylære motorer er blevet demonstreret, på trods af nogle få teoretiske forslag, " siger Sykes. "Vi har været i stand til at vise, at man kan levere elektricitet til et enkelt molekyle og få det til at gøre noget, der ikke bare er tilfældigt."

Sykes og hans kolleger var i stand til at styre en molekylær motor med elektricitet ved at bruge en state of the art, lavtemperatur scanning tunneling mikroskop (LT-STM), en af ​​kun 100 i USA. LT-STM bruger elektroner i stedet for lys til at "se" molekyler.

Holdet brugte metalspidsen på mikroskopet til at give en elektrisk ladning til et butylmethylsulfidmolekyle, der var blevet placeret på en ledende kobberoverflade. Dette svovlholdige molekyle havde kulstof- og brintatomer, der udstrålede for at danne, hvad der lignede to arme, med fire kulstof på den ene side og en på den anden. Disse kulstofkæder var frie til at rotere omkring svovl-kobberbindingen.

Holdet fastslog, at ved at kontrollere temperaturen på molekylet kunne de direkte påvirke molekylets rotation. Temperaturer omkring 5 Kelvin (K), eller omkring minus 450 grader Fahrenheit (ºF), viste sig at være den ideelle til at spore motorens bevægelse. Ved denne temperatur, Tufts-forskerne var i stand til at spore alle motorens rotationer og analysere dataene.

Selvom der er forudsigelige praktiske anvendelser med denne elektriske motor, der skal foretages gennembrud i de temperaturer, som elektriske molekylære motorer fungerer ved. Motoren drejer meget hurtigere ved højere temperaturer, gør det vanskeligt at måle og kontrollere motorens rotation.

"Når vi har et bedre greb om de temperaturer, der er nødvendige for at få disse motorer til at fungere, der kan være en virkelig anvendelse i nogle sensorer og medicinsk udstyr, der involverer små rør. Væskens friktion mod rørvæggene øges ved disse små skalaer, og at dække væggen med motorer kan hjælpe med at drive væsker frem, " sagde Sykes. "Kobling af molekylær bevægelse med elektriske signaler kan også skabe miniature gear i nanoskala elektriske kredsløb; disse gear kan bruges i miniatureforsinkelseslinjer, som bruges på enheder som mobiltelefoner. "

Kemiens skiftende ansigt

Elever fra gymnasiet til ph.d.-niveau spillede en integreret rolle i den komplekse opgave med at indsamle og analysere bevægelsen af ​​de små molekylære motorer.

"Involvering i denne type forskning kan være en oplysende, og i nogle tilfælde livsændrende, erfaring for studerende, "sagde Sykes." Hvis vi kan få folk interesseret i videnskaberne tidligere, gennem projekter som dette, der er en større chance for, at vi kan påvirke den karriere, de vælger senere i livet."

Som bevis på, at det kan have betydning at få et videnskabeligt fodfæste tidligt, en af ​​gymnasieeleverne involveret i forskningen, Nikolai Klebanov, fortsatte med at indskrive sig på Tufts; han er nu en anden studerende med speciale i kemiteknik.