Lysstyret gearkasse til nanomaskiner

Belønnet med en Nobelpris i kemi i 2016, nanomaskiner yder mekanisk arbejde i den mindste skala. Men ved så små dimensioner, molekylære motorer kan fuldføre dette arbejde i kun én retning. Forskere fra CNRS's Institut Charles Sadron, ledet af Nicolas Giuseppone, professor ved Université de Strasbourg, arbejder i samarbejde med Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), har haft held med at udvikle mere komplekse molekylære maskiner, der kan arbejde i én retning og dens modsatte. Systemet kan endda styres præcist, på samme måde som en gearkasse. Undersøgelsen blev offentliggjort i Natur nanoteknologi den 20. marts, 2017.

Molekylære motorer kan producere cyklisk mekanisk bevægelse ved hjælp af en ekstern energikilde, såsom en kemisk eller lyskilde, kombineret med Brownsk bevægelse (uorganiseret og tilfældig bevægelse af omgivende molekyler). Imidlertid, nanomotorer udsættes for molekylære kollisioner på alle sider, hvilket komplicerer produktionen af ​​rettet og dermed nyttigt mekanisk arbejde. De første molekylære motorer fra 2000'erne brugte princippet om "den brunske skralde, "som som et hak på et tandhjul, der forhindrer en mekanisme i at bevæge sig baglæns, vil forspænde Brownsk bevægelse, så motoren kun fungerer i én retning. Dette gør det muligt at levere brugbart arbejde, men det giver ikke mulighed for en retningsændring.

Forskerholdet satte sig således for at finde en løsning til at vende denne bevægelse, hvilket de gjorde ved at forbinde motorer til molekylære modulatorer (koblingsunderenheder) ved hjælp af polymerkæder (transmissionsunderenheder). En matematisk model er også blevet etableret for at forstå opførselen af ​​dette netværk.

Når de udsættes for ultraviolet bestråling, motorerne drejer, mens modulatorerne forbliver ubevægelige. Polymerkæderne snor sig således omkring sig selv, og trække sig sammen som et gummibånd, der forkortes, når det snos. Fænomenet kan observeres på en makroskopisk skala, da molekylerne danner et materiale, der trækker sig sammen.

Når molekylerne udsættes for synligt lys, motorerne stopper og modulatorerne aktiveres. Den mekaniske energi, der er lagret i polymerkæderne, roterer derefter modulatorerne i den modsatte retning af den oprindelige bevægelse, og materialet strækker sig.

Endnu mere spektakulært, forskerne var i stand til at demonstrere, at hastigheden og hastigheden af ​​det producerede arbejde kan reguleres omhyggeligt gennem en kombination af UV og synligt lys, som en gearkasse, der fungerer gennem moduleringer i frekvens mellem motorer og modulatorer. Holdet forsøger nu at bruge denne undersøgelse til at udvikle fotomekaniske enheder, der kan levere mekanisk arbejde styret af lys.