Med avancerad 3D-utskrift, Dartmouth College forskare har låst upp nyckeln till att omvandla mikroskopiska nanoringar till smarta material som utför arbete i mänsklig skala.

Nanomaskiner kan redan leverera medicinering och fungera som datorminnen i den lilla nanometerskalan. Genom att integrera en 3D-tryckteknik som var föregångare inom Dartmouths Ke Functional Materials Group, forskare kan låsa upp ännu större potential för dessa minimaskiner.

Forskningen publicerades den 22 mars i onlineutgåvan av Angewandte Chemie , den prestigefyllda tidskriften för German Chemical Society.

"Ända tills nu, att utnyttja det mekaniska arbetet med nanomaskiner har varit extremt svårt. Vi kommer sakta närmare den punkten att de små maskinerna kan fungera i en skala som vi kan se, röra och känna. "sa Chenfeng Ke, Biträdande professor för kemi vid Dartmouth College och principutredare för forskningen.

I ett exempel från Ke, första generationens smarta material lyfte en krona som vägde 2,268 g. Myntet, 15 gånger vikten av strukturen som lyfte den, höjdes 1,6 mm– motsvarande en människa som lyft en bil.

"Att skapa nanomaskinbaserat smart material är fortfarande utomordentligt komplext och vi har bara börjat, men denna nya teknik kan tillåta design och tillverkning av komplexa smarta enheter som för närvarande ligger utanför vårt grepp, "sa Ke.

Utformningen av det nya materialet baseras på Nobelprisvinnande forskning som förvandlade mekaniskt sammankopplade molekyler (MIM) till arbetspresterande maskiner på nanoskala. Tidigare, forskare har visat hur lätt, värme och förändrade pH -nivåer kan tvinga fram rörelser inom en struktur - känd som en rotaxan - sammansatt av ringar på en molekylaxel. Ungefär på samma sätt som pärlor är gängade på ett snöre, glidning - eller pendling - av ringar längs axeln får molekylerna att ändra form och lagra energi.

Enligt tidningen, MIM används redan i stor utsträckning som molekylbussar, omkopplare, muskler och pumpar. Men i åratal, kemister har stymts av problemet med att ordna sina slumpmässiga positioner. Att upprätta en sådan ordning är avgörande för att hindra strukturerna från att avbryta varandras mekaniska rörelser så att deras molekylära rörelser kan förstärkas.

"Vårt arbete ger den första designprincipen för att lägga till 3D-utskrivbarhet till nanomaskiner. Viktigt är att vi har också omvandlat molekylrörelser till makroskala för att göra användbart arbete, "sa Ke, som gjorde sin postdoktorala forskning med en av 2016 års nobelpristagare, Sir Fraser Stoddart.

Forskargruppen utformade och syntetiserade MIM-baserade geler med egenskaper som är önskvärda för 3D-utskrift. Med hjälp av vätebindningsinteraktioner mellan nanoringar, de lyckades skriva ut gitterliknande 3D-strukturer. Genom att tvärbinda axlarna, konstruktioner med god 3D-strukturell integritet och mekanisk stabilitet skapades.

Forskare fann att den komplexa 3D-arkitekturen för dessa strukturer kan deformeras och reformeras reversibelt genom lösningsmedelsutbyte som växlar den gängade ringstrukturen mellan slumpmässig shuttling och stationära tillstånd på molekylär nivå. Detta formförändrande och återhämtningsbeteende visade sig lätt upprepas många gånger.

"Precis som att flytta pärlor för att stärka eller försvaga en sträng, denna åtgärd är kritisk eftersom den tillåter förstärkning av molekylär rörelse till makroskopisk rörelse genom omvandling av kemisk energiinsats till mekaniskt arbete, "sade Qianming Lin, den första författaren till uppsatsen och en förstaårs doktorand vid Institutionen för kemi vid Dartmouth College.

Ke och hans team hoppas att detta framsteg kommer att göra det möjligt för forskare att utveckla smarta material och enheter. Till exempel, genom att lägga sammandragning och vridning till den stigande rörelsen, molekylära maskiner kan vara användbara som mjuka robotar som slutför komplicerade uppgifter som liknar en mänsklig hand.