Forskere arbejder på næste generations nanobiler

Nanomekanik ved Rice University og University of Houston er ved at gøre sig klar til at sætte gang i deres motorer til det andet internationale Nanocar Race.

Selvom de bliver nødt til at pumpe bremserne lidt længere end forventet, da løbet er blevet rykket et år til 2022, det Rice-baserede team skubber fremad med nye designs introduceret i American Chemical Society's Journal of Organic Chemistry .

Arbejdet ledet af kemikerne James Tour of Rice og Anton Dubrovskiy fra University of Houston-Clear Lake opgraderer bilerne med hjul af tert-butyl, der skulle hjælpe dem med at navigere på banen udlagt på en overflade af guld, med pyloner bestående af nogle få velplacerede atomer.

Ligesom deres vinderbidrag i 2017's første internationale Nanocar Race, disse nanobiler har permanente dipolmomenter for at øge deres hastighed og køreevne på overfladen.

"De permanente dipoler gør bilerne mere modtagelige for at blive påvirket af elektriske feltgradienter, som bruges til at drive og manøvrere dem, " sagde Tour. "Det er en funktion, vi introducerede til den første konkurrence, og jeg er sikker på, at mange af bidragene nu vil have dette avancerede designelement indbygget i deres nanobiler."

Årets modeller er også lettere, lidt mere end de minimum 100 atomer, der kræves af nye regler. "Bilen vi brugte i det første løb havde kun 50 atomer, " sagde Tour. "Så dette er en væsentlig stigning i molekylvægten, som krævet af de opdaterede standarder." Det er sandsynligt, at løbsarrangørerne har ønsket at bremse os siden sidst, da vi afsluttede 30-timers løbet på kun 1,5 time, " han sagde.

At bringe bilerne forbi 100 atomer og samtidig strømline deres synteser, forskerne brugte en modulær proces til at lave fem nye biler med enten alle tert-butyl, alle adamantyl hjul (som i tidligere nanobiler) eller kombinationer af de to.

Ved 90 atomer, biler med kun butylhjul, som minimerer interaktioner med sporet, og kortere chassis var for små. Ved at bruge hjulkombinationer, rislaboratoriet lavede nanobiler med 114 atomer. "Dette holder vægten på et minimum, mens racekravene opfyldes, " sagde Tour.

Nanobilerne vil igen blive kørt af et hold fra University of Graz i Østrig ledet af professor Leonhard Grill. Holdet bragte Rice-køretøjet over målstregen i 2017 og har enorm ekspertise i scanning af tunneling-mikroskop-styrede manipulationer, sagde Tour. Grill- og Tour-grupperne mødes igen i Frankrig til løbet.

Det overordnede mål med konkurrencen er at fremme udviklingen af ​​nanomaskiner, der er i stand til at arbejde rigtigt, som at transportere last i molekylær skala og lette nanofremstilling.

"Dette løb skubber grænserne for molekylært nanobildesign og metoder til at kontrollere dem, " sagde Tour. "Så gennem denne konkurrenceproces, verdensomspændende ekspertise er højnet, og hele området for nanomanipulation opfordres til at udvikle sig endnu hurtigere."

Løbet, oprindeligt planlagt til næste sommer, er blevet forsinket af pandemien. Racerne skal stadig samles i Frankrig for at blive overvåget af dommerne, men alle holdene vil kontrollere deres biler via internettet på spor under scanning tunnelmikroskoper i deres hjemmelaboratorier.

"Så chaufførerne vil være sammen, og bilerne og banerne vil blive spredt rundt i verden, Tour sagde. "Men afstanden til hvert spor vil være identisk, inden for få nanometer."

Rice-Graz-bidraget vandt 2017-løbet med en stjerne, da dens bil bevægede sig så hurtigt på guldoverfladen, at det var umuligt at tage billeder til bedømmelse. Holdet fik derefter lov til at køre på en sølvfarvet overflade, der gav tilstrækkelig modstand og afsluttede den 150 nanometer bane på 90 minutter.

"Kurset skulle kun have været 100 nanometer, men holdet blev straffet for at tilføje yderligere 50 nanometer, " sagde Tour. "Til sidst, Det var alligevel ingen barriere." Førstepræmien på guldbanen gik til et schweizisk hold, der afsluttede en 100 nanometer bane på seks en halv time.

Tours laboratorium byggede verdens første enkelt-molekyle bil i 2005, og den har gennemgået mange gentagelser siden, med den relaterede udvikling af molekylære motorer, der borer gennem celler for at levere lægemidler.

Ris kandidatstuderende Alexis van Venrooy er hovedforfatter af papiret. Medforfattere er Rice alumnus Victor García-López og bachelor John Tianci Li. Dubrovskiy er assisterende professor i kemi ved University of Houston-Clear Lake og en akademisk gæst ved Rice. Tour er T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datalogi og i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice.