Kemister vid Tufts Universitys School of Arts and Sciences har utvecklat världens första elektriska motor med en enda molekyl, en utveckling som potentiellt kan skapa en ny klass av enheter som kan användas i applikationer som sträcker sig från medicin till ingenjörskonst.

I forskning publicerad online den 4 september Naturen nanoteknik, Tufts-teamet rapporterar en elmotor som mäter bara 1 nanometer i diameter, banbrytande arbete med tanke på att det nuvarande världsrekordet är en 200 nanometer motor. Ett enda hårstrå är ungefär 60, 000 nanometer bred.

Enligt E. Charles H. Sykes, Ph.D., docent i kemi vid Tufts och senior författare på tidningen, teamet planerar att skicka in den Tufts-byggda elmotorn till Guinness World Records.

"Det har gjorts betydande framsteg i konstruktionen av molekylära motorer som drivs av ljus och av kemiska reaktioner, men detta är första gången som elektriskt drivna molekylära motorer har demonstrerats, trots några teoretiska förslag, " säger Sykes. "Vi har kunnat visa att man kan ge elektricitet till en enda molekyl och få den att göra något som inte bara är slumpmässigt."

Sykes och hans kollegor kunde styra en molekylär motor med elektricitet genom att använda den senaste tekniken, tunnelmikroskop för låg temperatur (LT-STM), en av endast 100 i USA. LT-STM använder elektroner istället för ljus för att "se" molekyler.

Teamet använde metallspetsen på mikroskopet för att ge en elektrisk laddning till en butylmetylsulfidmolekyl som hade placerats på en ledande kopparyta. Denna svavelhaltiga molekyl hade kol- och väteatomer som strålade ut för att bilda vad som såg ut som två armar, med fyra kol på ena sidan och en på den andra. Dessa kolkedjor var fria att rotera runt svavel-kopparbindningen.

Teamet fastställde att genom att kontrollera temperaturen på molekylen kunde de direkt påverka molekylens rotation. Temperaturer runt 5 Kelvin (K), eller ungefär minus 450 grader Fahrenheit (ºF), visade sig vara idealiskt för att spåra motorns rörelse. Vid denna temperatur, Tufts-forskarna kunde spåra alla rotationer av motorn och analysera data.

Även om det finns förutsebara praktiska tillämpningar med denna elmotor, genombrott skulle behöva göras i de temperaturer vid vilka elektriska molekylära motorer fungerar. Motorn snurrar mycket snabbare vid högre temperaturer, vilket gör det svårt att mäta och kontrollera motorns rotation.

"När vi har bättre koll på de temperaturer som krävs för att få dessa motorer att fungera, Det kan finnas verkliga tillämpningar i vissa avkännings- och medicinska apparater som involverar små rör. Friktionen av vätskan mot rörväggarna ökar i dessa små skalor, och att täcka väggen med motorer kan hjälpa till att driva vätskor, ", sade Sykes. "Att koppla molekylär rörelse med elektriska signaler kan också skapa miniatyrväxlar i elektriska kretsar i nanoskala; dessa växlar kan användas i miniatyrfördröjningslinjer, som används i enheter som mobiltelefoner."

Kemins föränderliga ansikte

Studenter från gymnasiet till doktorandnivån spelade en integrerad roll i den komplexa uppgiften att samla in och analysera rörelsen hos de små molekylära motorerna.

"Engagemang i den här typen av forskning kan vara en upplysande, och i vissa fall förändras livet, erfarenhet för studenter, " sa Sykes. "Om vi ​​kan få folk intresserade av vetenskapen tidigare, genom projekt som detta, det finns en större chans att vi kan påverka den karriär de väljer senare i livet."

Som bevis på att det kan ha betydelse att få en vetenskaplig fot tidigt, en av gymnasieeleverna som deltar i forskningen, Nikolaj Klebanov, fortsatte med att skriva in sig på Tufts; han är nu en sophomore med huvudämne i kemiteknik.