Team laver lysdrevne nanoubåde

Selvom de ikke er helt klar til at gå ombord på en lá "Fantastic Voyage, "Ubåde i nanoskala skabt på Rice University viser sig at være sødygtige.

Hver af enkeltmolekylerne, 244-atoms dykfartøjer bygget i kemikeren James Tours ris-laboratorium har en motor drevet af ultraviolet lys. Med hver fuld omdrejning, motorens halelignende propel bevæger ubåden 18 nanometer frem.

Og med motorerne kørende med mere end en million omdrejninger pr. minut, der omsættes til hastighed. Selvom ubådens tophastighed er mindre end 1 tomme pr. sekund, Tour sagde, at det er et hæsblæsende tempo på den molekylære skala.

"Dette er de hurtigst bevægende molekyler, der nogensinde er set i opløsning, " han sagde.

Udtrykt på en anden måde, rapporterede forskerne denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver at deres lysdrevne nanosubmersible viser en "forbedring i diffusion" på 26 procent. Det betyder, at subs diffuse, eller spredt ud, meget hurtigere end de allerede gør på grund af Brownsk bevægelse, den tilfældige måde partikler spredes i en opløsning.

Selvom de ikke kan styres endnu, undersøgelsen beviser, at molekylære motorer er kraftige nok til at drive sub-10 nanometer ubåde gennem opløsninger af bevægelige molekyler af omtrent samme størrelse.

"Dette svarer til en person, der går hen over en basketballbane med 1, 000 mennesker kaster basketball efter ham, " sagde Tour.

Tours gruppe har stor erfaring med molekylære maskiner. For et årti siden, hans laboratorium introducerede verden til nanobiler, enkelt-molekyle biler med fire hjul, aksler og uafhængige affjedringer, der kunne "køres" hen over en overflade.

Tour sagde, at mange forskere har skabt mikroskopiske maskiner med motorer gennem årene, men de fleste har enten brugt eller genereret giftige kemikalier. Han sagde, at en motor, der blev udtænkt i det sidste årti af en gruppe i Holland, viste sig egnet til Rice's undervandsfartøjer, som blev fremstillet i en 20-trins kemisk syntese.

"Disse motorer er velkendte og bruges til forskellige ting, " sagde hovedforfatter og Rice-studerende Victor García-López. "Men vi var de første, der foreslog, at de kan bruges til at drive nanobiler og nu undervandsfartøjer."

Motorerne, som fungerer mere som en bakteries flagellum end en propel, fuldfør hver omdrejning i fire trin. Når ophidset af lys, dobbeltbindingen, der holder rotoren til kroppen, bliver en enkeltbinding, lader den rotere et kvart trin. Da motoren søger at vende tilbage til en lavere energitilstand, den springer tilstødende atomer endnu en kvart omgang. Processen gentages, så længe lyset er tændt.

Til sammenligningstests, laboratoriet lavede også undervandsfartøjer uden motorer, langsomme motorer og motorer, der padler frem og tilbage. Alle versioner af undervandsfartøjerne har pontoner, der fluorescerer rødt, når de exciteres af en laser, ifølge forskerne. (Gul, desværre, var ikke en mulighed.)

"En af udfordringerne var at armere motorerne med de passende fluoroforer til sporing uden at ændre den hurtige rotation, " sagde García-López.

Når først bygget, holdet henvendte sig til Gufeng Wang ved North Carolina State University for at måle, hvor godt nanosuberne bevægede sig.

"Vi havde brugt scanningstunnelmikroskopi og fluorescensmikroskopi til at se vores biler køre, men det ville ikke fungere for de undervandsfartøjer, " sagde Tour. "De ville glide ud af fokus ret hurtigt."

North Carolina-teamet lagde en dråbe fortyndet acetonitrilvæske indeholdende et par nanosubs mellem to objektglas og brugte et brugerdefineret konfokalt fluorescensmikroskop til at ramme det fra modsatte sider med både ultraviolet lys (til motoren) og en rød laser (til pontonerne).

Mikroskopets laser definerede en lyssøjle i opløsningen, inden for hvilken sporing fandt sted, sagde García-López. "Den vej, NC State-holdet kunne garantere, at det kun analyserede ét molekyle ad gangen, " han sagde.

Rice's forskere håber, at fremtidige nanosubs vil være i stand til at transportere laster til medicinske og andre formål. "Der er en vej frem, " sagde García-López. "Dette er det første skridt, og vi har bevist konceptet. Now we need to explore opportunities and potential applications."