Kugghjul och mekaniska transmissioner är hemma i regionen Emilia-Romagna, motordalen i norra Italien. Ett team av forskare från universitetet i Bologna och Institutet för organisk syntes och fotoreaktivitet vid National Research Council (Cnr-Isof) i Bologna, ledd av Massimo Baroncini och Alberto Credi, har planerat, konstruerade och drivs NanoGear, en anordning som består av sammankopplade molekylära komponenter och utformad för att fungera som ett kugghjul. Eftersom molekyler är nanometriska objekt (1 nanometer =1 miljondels millimeter), det är en ytterst liten enhet:Visst, den minsta utrustningen som någonsin tillverkats i det italienska motorlandet.

"Transmission och transformation av nanometriska rörelser i biologiska molekyler är grunden för de huvudsakliga funktionerna hos levande organismer. Ändå, dessa fenomen är dåligt förstådda i artificiella molekyler eftersom de är extremt svåra att identifiera och observera. Konstruktionen av molekylära enheter som NanoGear är ett första steg framåt mot utvecklingen av ultraminiatyriserade mekaniska enheter baserade på molekylära motorer, med potentiella banbrytande tillämpningar inom olika områden av teknik och medicin ", säger Alberto Credi.

Enheten

NanoGear-molekylen tillhör klassen rotaxaner och består av tre komponenter:en ring som kan glida längs en axel som bär en rotor installerad i dess centrum.

"Ringen är fri att pendla längs axeln i hela dess längd, men den kan inte fly eftersom två skrymmande grupper (stoppare) placerade vid axeländarna hindrar den från att glida av. Rotorn är fri att rotera runt sin egen axel och har två olika "blad" för att underlätta observation av rörelsen, " förklarar Massimo Baroncini. "Det huvudsakliga designelementet i NanoGear ligger i det faktum att rotorn är direkt kopplad till axeln med en vanlig kemisk (kovalent) bindning, medan ringen är mekaniskt låst runt axeln genom närvaron av stopparna. Både translationen av ringen och rotationen av rotorn är slumpmässiga svängningar som bestäms av molekylens termiska energi; med andra ord, växeln är inte kopplad till någon motor och fungerar "i neutral". Sofistikerade kärnmagnetiska resonanstekniker användes för att observera rörelserna och mäta deras hastigheter."

Vid 65 °C, ringen pendlar från ena änden av axeln till den andra cirka 7 gånger per minut, passerar över rotorn; på samma tid, den senare genomför cirka 260 varv. Därför är de två rörelserna inte synkroniserade; dock, de påverkar varandra ömsesidigt, som demonstrerats av experiment utförda på molekyler som liknar NanoGear men utan rotorn eller ringen.

Ett annat betydande och oväntat resultat är effekten av mediet där molekylen är dispergerad:Genom att byta lösningsmedlet, en av de två rörelserna saktas ner, medan den andra accelereras. En sådan 'specifik smörjning' finner ingen överensstämmelse i den makroskopiska världen, och utgör en av de okonventionella egenskaperna hos nanoenheter som kan leda till radikala tekniska innovationer.

Projektet

Konstgjorda molekylära maskiner, belönades med Nobelpriset i kemi 2016, omvandla energi från en källa till kontrollerade rörelser i nanoskala och är ett av de mest slående resultaten av nanoteknik. För att utnyttja dessa rörelser, dock, passiva element som kan bearbeta dem och överföra dem till andra komponenter, som det händer i makroskopiska enheter, är nödvändiga. I denna forskning, kemister arbetar på samma sätt som ingenjörer och arkitekter, men att manipulera föremål en miljard gånger mindre, eftersom deras byggstenar är atomer och molekyler.

NanoGear är resultatet av ett projekt som föddes för cirka fem år sedan och är en del av en forskningsverksamhet där Center for Light Activated Nanostructures (Clan), ett gemensamt laboratorium för universitetet i Bologna och det italienska nationella forskningsrådet, är en internationell referenspunkt.

NanoGear skapades med stöd av ett Advanced Grant från European Research Council (ERC), det mest prestigefyllda och konkurrenskraftiga stipendiet för vetenskaplig forskning i Europa. Förr, samma laboratorium hade redan väckt allmänhetens uppmärksamhet genom att utveckla molekylärbaserade pumpar ( Naturens nanoteknik , 2015) och svampar ( Naturkemi , 2015) drivs av ljus. Den centrala rollen för forskningen som utfördes i Bologna på ämnet molekylära maskiner erkändes under evenemanget "MolecularMachinesDays", hölls i Bologna i november 2018 med deltagande av de tre 2016 års Nobelpristagare i kemi.

Resultaten

Förverkligandet av konstgjorda anordningar bestående av molekyler är av stort intresse för utvecklingen av nanoteknik. "Som framgår av de resultat som erhållits de senaste åren i laboratorier över hela världen, nanoteknik kan ge oss lättare och starkare material, mindre och kraftfullare datorer och robotar, bättre system för omvandling och lagring av energi, nya metoder för medicinsk diagnostik och terapier, " säger Alberto Credi. "NanoGear är ett litet men betydelsefullt steg i den här riktningen. Även om det för närvarande är svårt att identifiera en specifik användning av NanoGear, den grundforskning som ledde till dess utveckling har en revolutionerande potential för vetenskap och teknik som går långt utöver kortsiktiga praktiska tillämpningar."