Forskere udvikler lysdrevne motorer til at drive fremtidens nanorobotter

Et samarbejde mellem forskere har foreslået en model for en nanosiseret dipol fotomotor baseret på fænomenet lysinduceret ladningsfordeling. Udløst af en laserpuls, denne lille enhed er i stand til at rette bevægelse ved en rekordhastighed og er kraftig nok til at bære en bestemt belastning. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Journal of Chemical Physics .

"De hidtil usete karakteristika ved dipolfotomotorer baseret på halvleder -nanokluster giver udsigter ud over at imødekomme en vis mangel på translationelle fotomotorfamilien. Disse enheder kan faktisk bruges, hvor der er behov for hurtig nanopartikeltransport. I kemi og fysik, de kunne hjælpe med at udvikle nye analytiske og syntetiske instrumenter, i biologi og medicin, de kunne bruges til at levere medicin til syge væv, forbedre genterapistrategier, og så videre, "siger prof. Leonid Trakhtenberg fra Institut for Molekylær og Kemisk Fysik ved MIPT, der er leder af forskerteamet og leder af Laboratory of Functional Nanocomposites ved ICP RAS.

Prof. Trakhtenberg samarbejdede med prof. Viktor Rozenbaum, der leder instituttet for teori om nanostrukturerede systemer på ISC NASU, at udvikle teorien om fotoinduceret molekylær transport. Denne teori danner ramme om design af nanomaskiner, hvis bevægelse kan styres af en laser. Forskerne har etableret forholdet mellem flere modelparametre (f.eks. partikel dimensioner, fotoexcitationsbetingelser osv.), og enhedens vigtigste ydeevne - dens gennemsnitlige hastighed.

Browniske motorer

Dirigerede nanomotorer har prototyper i naturen. Levende organismer gør brug af proteinindretninger drevet af eksterne ikke -ligevægtsprocesser af en anden art. Disse er kendt som Brownian, eller molekylære motorer. De er i stand til at konvertere tilfældig Brownsk bevægelse til rettet translationel bevægelse, gengældelse, eller rotation. Browniske motorer er involveret i muskelsammentrækning, cellemobilitet (flagellær motilitet af bakterier), og intra- og intercellulær transport af organeller og relativt store partikler af forskellige stoffer (f.eks. fagocytose, eller "cellespisning, "og eliminering af metaboliske affaldsprodukter fra cellen). Disse enheder fungerer med en utrolig høj effektivitet, der nærmer sig 100%.

"At forstå de bagvedliggende mekanismer ved driften af ​​naturligt forekommende molekylære motorer sætter os ikke kun i stand til at replikere dem, men også til at designe nye meget effektive multifunktionelle kunstige enheder, der i sidste ende kan anvendes i nanorobotik. I de sidste mange årtier har forskere og ingeniører på forskellige områder har arbejdet sammen og gjort nogle reelle fremskridt mod udviklingen af ​​kontrollerbare nanomaskiner. Resultaterne af deres arbejde blev anerkendt som en yderst relevant bedrift og et betydeligt fremskridt inden for videnskab og teknologi, da Nobelprisen i kemi 2016 blev uddelt for design og syntese af molekylære maskiner, "siger prof. Rozenbaum.

En brun motor fungerer ved at skifte mellem mindst to diskrete tilstande, som opnås ved hjælp af kemiske reaktioner, termisk virkning, AC signaler, eller lysimpulser. I sidstnævnte tilfælde, enheden betegnes som en fotomotor.

For cirka 10 år siden, en model blev udviklet til at beskrive arbejdet i en translationel dipol fotomotor, der fungerer via fotoexcitation af molekylet til en tilstand med et dipolmoment, der er forskelligt fra det i grundtilstanden. Jo større forskel mellem de samlede dipolmomenter for nanopartiklen i de to energitilstande, jo højere gennemsnitshastighed og effektivitet af motoren.

Laserudløsning

Den foreslåede motor aktiveres af en resonant laserpuls, som ophidser elektroner i den cylinderformede halvleder-nanokluster, der forårsager en adskillelse af ladninger og giver anledning til en elektrostatisk interaktion mellem partiklen og det polære substrat. Underkastelse af nanocylinderen til periodiske resonanslaserpulser får dens potentielle energi i substratets område til at variere med tiden, hvilket igen muliggør rettet bevægelse (se diagram).

Fotomotorer baseret på uorganiske nanopartikler overgår deres organiske molekylebaserede modparter med hensyn til effektivitet og gennemsnitshastighed. I en cylinderformet halvleder-nanokluster, værdien af ​​dipolmomentet før bestråling er tæt på nul, men fotoekscitation af en elektron fra massen til overfladen giver anledning til et enormt dipolmoment (ca. 40 D for en cylinder med en højde på ca. 15 Å).

"På grund af det faktum, at enhedens parametre er blevet optimeret, vores foreslåede model fotomotor baseret på en halvleder nanocylinder bevæger sig med en rekordhastighed på 1 mm/s, som er cirka tre størrelsesordener hurtigere end lignende modeller baseret på organiske molekyler eller motoriske proteiner i levende organismer, "siger forfatterne.