Nanocar er det første skridt mod et kontrolleret transportsystem på molekylær skala

Dr. Saw-Wai Hla og Dr. Eric Masson er begejstrede for deres holds præstationer i verdens første nanobilløb i april, men for dem, det var et sjovt udgangspunkt for et meget større mål.

"Nanobilløbet er ikke slutningen; det er kun begyndelsen på vores projekt, "Hla, professor i fysik og astronomi, sagde. "Vi deltog ikke kun i denne konkurrence for at vinde, men at udvikle et kontrolleret transportsystem på molekylær skala."

Det er den første del af målet; det andet er at hjælpe med at skabe et nyt studieretning – kvantemekanik – som nu kun diskuteres på det tidlige teoretiske stadie.

Nanobilløbet var en unik konkurrence:Seks teams arbejdede på at bygge biler, der kunne køre race med hinanden på en bane. Imidlertid, disse biler var ikke større end nogle få molekyler, og Ohio University-teamets bil var ikke engang i Frankrig, hvor løbet blev afholdt; i stedet, det var en fjerdedel af vejen rundt om planeten, i Hlas laboratorium ved Ohio University.

Masson, en lektor i kemi og biokemi, og hans team byggede OHIOs bil, kendt som "Bobcat Nanowagon, " arbejdede derefter sammen med Hla for at få den ind på en solid-state "væddeløbsbane" lavet af guld. Derfra, Hlas team "kørte" bilen ad en 100-nanometer bane. Kørslen sker ved at påføre en positiv eller negativ elektrisk ladning for effektivt at "skubbe" eller "trække" nanobilen i en given retning.

I sidste ende dækkede OHIOs indtræden 43 nanometer, men ville have afsluttet nemt, Hla sagde, hvis ikke for en verdslig fjende:Ohio vejr. Et tordenvejr på løbsdagen forårsagede strømproblemer, der dømte holdet - ikke at nogen klagede.

"Dette er første gang, at vi lavede kontrolmanipulation på atomniveau over et hav ved hjælp af fjernbetjening. Det er selve teknologien. Dette er et teknisk gennembrud, " sagde Hla. Holdet der vandt, bestående af medlemmer fra Rice University og Østrig, deltog også eksternt, men fra et laboratorium i Østrig, samme tidszone som Toulouse, Frankrig, hvor løbet blev afholdt. Ohio-holdet måtte operere med seks timers tidsforskel. Ligesom det franske holds bil, Ohio Bobcat Nanowagon passede til alle de angivne kriterier for konkurrencen:Den havde mere end 100 atomer (644, faktisk), og blev opereret på en guldoverflade.

"Vores bil er den eneste bil, der ligner en bil, det er funktionelt, og det er en ren amerikansk bil. Det er måske ikke den smukkeste, men det virker, " sagde Hla. OHIO's var også den eneste af de seks, der var en supramolekylær bil - den havde fem sammenlåste molekyler.

"I bund og grund, det er den første supramolekylære bil nogensinde designet. Det er også den største nanobil, der nogensinde er bygget, " sagde Masson.

Hla og Masson håber på at skabe større nanobiler, der kan fange, flytte eller frigive andre molekyler på en præcis måde, effektivt at bygge molekylære strukturer til et hvilket som helst antal applikationer. Det er her, kvantemekanikken kommer ind i billedet. Hla sammenlignede den med vores almindelige maskinteknik, der bruges til at designe biler, bygninger og andre konstruktioner.

"Alle disse maskiner er i vores skala; vi kan bruge de koncepter, som vi allerede kender fra mekaniske ingeniører. Men, for nanobiler, som vi udvikler, eller enhver molekylær maskine, som vi udvikler i nanoskala, vi kan ikke bruge nogen af ​​disse begreber. Ingen, "Sagde Hla.

Nanobilen er et godt eksempel; selvom den har fire hjul og bevæger sig hen over en overflade, Hla og Masson arbejder stadig på at finde ud af, om hjulene glider eller ruller hen over overfladen. På nano-niveau, tyngdekraften er ligegyldig, så måden nanocar klæber til overfladen, og hvordan den bevæger sig på tværs er yderst vigtig for grundlæggende videnskabelig forståelse.

"Så bilens tiltrækning til at holde sig til overfladen har intet at gøre med tyngdekraften. Det har alt at gøre med atom-niveau interaktioner mellem det hjul og overfladen, " sagde Hla. "I kvanteregimet, energioverførslen til at køre maskinerne, alt, er helt anderledes end vores verden. Imidlertid, der er intet fag, der hedder kvantemekanik. Ingen ved rigtigt, hvad der vil være den energi, vi har brug for. Dette er en stor udfordring lige nu og et stort løft i forskningsretningen. Alle finansieringsbureauer i USA og rundt om i verden forfølger virkelig det, dette år, begyndende fra nu; det er ved at blive meget populært."

Begrebet molekylære maskiner er ikke nyt; Hla sagde, at vores kroppe har dem, i form af DNA, der foretager reparationer konstant. Men der er ikke mange menneskeskabte, han sagde.

"Især en, der er egnet til at fungere i solid state-enheder, som iPhones eller computere, " sagde han. "...I min gruppe på OHIO, vi måler nye egenskaber ved molekylære maskiner og forsøger at forstå dem."

Hvis nanobilerne kan masseproduceres og kontrolleres, især mange af dem på én gang, de kan bruges til at bygge eller omstrukturere elektroniske kredsløb og datalagringsenheder, for eksempel. En datalagringsenhed i nano-størrelse ville revolutionere industrien.

"Moderne elektronik i dag er langt større end vores skala, " Hla sagde. "Skalaen i øjeblikket ... den er stadig omkring 1 million gange efter område større end vores. Vi kan bruge vores nanobiler som datalagring. Du har ultra-tæt datalagring. Sandsynligvis al verdens information, du kunne lægge en mobiltelefon i for eksempel."

Eller tænk på skalaen på denne måde:En nanobil er omkring otte kvadratnanometer. Bredden af ​​et menneskehår er omkring 8, 000 kvadrat nanometer. Dermed, omkring en milliard nanobiler ville passe i det rum.

For nu, selvfølgelig, alt dette er i den teoretiske fase. Hla og Masson sagde, at der er meget forskning og eksperimenter, der skal udføres. Og, de sagde, de kunne ikke gøre det alene; their students have been active in running experiments and one, Ryan Tumbleson, even drove the "Bobcat Nanowagon" during the race.

Hla said others are working on similar projects, so OHIO has to remain on the forefront.

"If we don't do it, somebody else will be doing it, so we'd better lead it, " he said. "Maybe one day the university will have a special department, quantum mechanical engineering."

He said there's no reason Ohio University can't take the lead; faktisk, he says it already has.

"Don't look down because we are from OHIO; we are unique, " he says. "There was only one complete group from the US that competed (in the nanocar race). We can change the world, in a good way."

Teknologien, Hla said, can help in many ways.

"There are many areas, I do believe, that will be hugely impacted. Medicin, elektronik, information technology, bare for at nævne nogle få. Those are the real impacts. Imidlertid, it has to start from somewhere."