Verdens mindste firehjulstrækker er en milliardtedel af en meter (Opdatering)

(PhysOrg.com)-Reduceret til max:den emissionsfrie, lydløs 4-hjulstrækker bil, udviklet i fællesskab af Empa-forskere og deres hollandske kolleger, repræsenterer let konstruktion på sit mest ekstreme. Nanobilen består af kun et enkelt molekyle og kører på fire elektrisk drevne hjul i en næsten lige linje over en kobberoverflade. "Prototypen" kan beundres på forsiden af ​​den seneste udgave af Natur .

For at udføre mekanisk arbejde, man vender sig normalt til motorer, som omdanner kemikalier, termisk eller elektrisk energi til kinetisk energi for at, sige, transportere varer fra A til B. Naturen gør det samme; i celler, såkaldte motorproteiner – såsom kinesin og muskelproteinet actin – udfører denne opgave. Normalt glider de langs andre proteiner, ligner et tog på skinner, og i processen "brænder" ATP (adenosintrifosfat), det kemiske brændstof, så at sige, af den levende verden.

En række kemikere sigter mod at bruge lignende principper og begreber til at designe molekylære transportmaskiner, som så kunne udføre specifikke opgaver på nanoskalaen. Ifølge en artikel i den seneste udgave af videnskabsmagasinet "Nature", forskere ved University of Groningen og Empa har med succes taget "et afgørende skridt på vejen mod kunstige transportsystemer i nanoskala". De har syntetiseret et molekyle fra fire roterende motorenheder, dvs. hjul, som kan køre ligeud på en kontrolleret måde. "For at gøre dette, vores bil behøver hverken skinner eller benzin; den kører på elektricitet. Det må være den mindste elbil i verden-og den kommer endda med 4-hjulstræk, ”siger Empa-forsker Karl-Heinz Ernst.

Rækkevidde pr. Tank brændstof:der er stadig plads til forbedringer

Ulempen:den lille bil, som måler cirka 4x2 nanometer - cirka en milliard gange mindre end en VW Golf - skal tankes med elektricitet efter hver halv omdrejning af hjulene - via spidsen af ​​et scannende tunnelmikroskop (STM). Desuden, på grund af deres molekylære design, hjulene kan kun dreje i én retning. "Med andre ord:der er ikke bakgear", siger Ernst, som også er professor ved universitetet i Zürich, lakonisk.

Ifølge dens "konstruktionsplan" fungerer det komplekse organiske molekyles drivkraft som følger:efter at have sublimeret det på en kobberoverflade og placeret en STM-spids over det, hvilket efterlader et rimeligt mellemrum, Ernsts kollega, Manfred Parschau, anvendt en spænding på mindst 500 mV. Nu skulle elektroner "tunnel" gennem molekylet, derved udløser reversible strukturændringer i hver af de fire motorenheder. Det begynder med en cis-trans-isomerisering, der finder sted ved en dobbeltbinding, en slags omlægning – i en yderst ugunstig position i rumlig henseende, selvom, hvor store sidegrupper kæmper om rummet. Som resultat, de to sidegrupper vipper for at komme forbi hinanden og ender tilbage i deres energisk mere gunstige oprindelige position - hjulet har gennemført en halv omgang. Hvis alle fire hjul drejer på samme tid, bilen skal køre fremad. I det mindste, ifølge teori baseret på molekylstrukturen.

At køre eller ikke køre - et simpelt spørgsmål om orientering

Og dette er, hvad Ernst og Parschau observerede:efter ti STM -stimuleringer, molekylet havde bevæget sig seks nanometer frem - i en mere eller mindre lige linje. "Afvigelserne fra den forudsagte bane skyldes, at det slet ikke er en triviel sag at stimulere alle fire motoriske enheder på samme tid", forklarer "testkører" Ernst.

Et andet eksperiment viste, at molekylet virkelig opfører sig som forudsagt. En del af molekylet kan rotere frit omkring midteraksen, en C-C single bond – bilens chassis, så at sige. Det kan derfor "lande" på kobberoverfladen i to forskellige retninger:i den rigtige, hvor alle fire hjul drejer i samme retning, og i den forkerte, hvor bagakselhjulene drejer fremad, men de forreste drejer bagud – ved excitation forbliver bilen stille. Ernst und Parschau var i stand til at observere dette, også, med STM.

Derfor, forskerne har nået deres første mål, et "proof of concept", dvs. de har været i stand til at demonstrere, at individuelle molekyler kan absorbere ekstern elektrisk energi og omdanne den til målrettet bevægelse. Det næste trin, som Ernst og hans kolleger forestiller sig, er at udvikle molekyler, der kan drives af lys, måske i form af UV-lasere.