Oprustning af maskiner i nanoskala

Geartog er blevet brugt i århundreder til at omsætte ændringer i gearets rotationshastighed til ændringer i rotationskraften. biler, øvelser, og stort set alt, der har roterende dele, bruger dem. Gear i molekylær skala er en meget nyere opfindelse, der kunne bruge lys eller en kemisk stimulus til at starte gearrotation. Forskere ved Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, i samarbejde med forskerhold ved University Paul Sabatier, Frankrig, rapport i en ny undersøgelse offentliggjort i Kemisk Videnskab et middel til at visualisere snapshots af et ultralille geartog - en sammenkoblet kæde af gear - på arbejde.

NAIST projektleder professor Gwénaël Rapenne har viet sin karriere til at fremstille mekaniske anordninger i molekylær skala, såsom hjul og motorer. Forskere har for nylig designet et tandhjul til et molekylært tandhjul, men har i øjeblikket ingen midler til at visualisere gearene i aktion.

"Den mest ligetil måde at overvåge bevægelsen af ​​molekylære tandhjul er gennem statisk scanning tunneling mikroskopibilleder. Til disse formål, en af ​​tandhjulenes tænder skal være enten sterisk eller elektrokemisk adskilt fra de andre tænder, " forklarer Rapenne.

Forskerne skabte først et molekylært tandhjul bestående af fem skovle, hvor en pagaj er et par kulstofatomer længere end de andre fire pagajer. Imidlertid, som de viste sidste år, forskelle i skovlængde forstyrrer den koordinerede bevægelse langs tandhjulet. Dermed, forskelle i padle-elektrokemi er en mere lovende designtilgang, men syntetisk mere udfordrende.

"Vi brugte beregningsstudier til at forudsige, om elektrontiltrækkende enheder eller metalkemi kunne skræddersy de elektroniske egenskaber af en pagaj, uden at ændre pagajens størrelse, " siger Rapenne. Sådanne skræddersyede egenskaber er vigtige, fordi man kan observere dem som forskelle i kontrast ved at bruge scanning tunneling mikroskopi, og derved lette statisk billeddannelse.

"Vores pentaporphyrine tandhjulsprototyper indeholdt en skovl med enten en cyanophenylsubstituent eller et zink-i stedet for nikkel-metalcenter, " forklarer Rapenne. "Forskellige spektroskopiteknikker bekræftede arkitekturen af ​​vores synteser."

Hvordan kan forskere bruge disse tandhjul? Forestil dig at skinne en meget fokuseret lysstråle, eller anvende en kemisk stimulus, til et af gearene for at starte en rotation. Ved at gøre det, man kunne rotere en række tandhjul på en koordineret måde som i et konventionelt tandhjul, men på en molekylær skala, som består i den ultimative miniaturisering af enheder. "Vi har nu midlerne til at visualisere sådanne rotationer, " bemærker Rapenne.

Ved at bruge denne udvikling til at udføre enkelt-molekyle mekanik undersøgelser, Rapenne er optimistisk om, at det brede forskningsmiljø vil have et kraftfuldt nyt design til integrerede nanoskalamaskiner. "Vi er der ikke endnu, men arbejder sammen for at få det til at ske så hurtigt som muligt, " han siger.