(PhysOrg.com) -- Minskad till max:det utsläppsfria, ljudlös 4-hjulsdriven bil, gemensamt utvecklat av Empa -forskare och deras nederländska kollegor, representerar lättviktskonstruktion när den är som mest extrem. Nanobilen består av bara en enda molekyl och färdas på fyra elektriskt drivna hjul i en nästan rak linje över en kopparyta. "Prototypen" kan beundras på omslaget till den senaste upplagan av Natur .

För att utföra mekaniskt arbete, man brukar vända sig till motorer, som omvandlar kemikalier, termisk eller elektrisk energi till kinetisk energi för att, säga, transportera varor från A till B. Naturen gör samma sak; i celler, så kallade motorproteiner – som kinesin och muskelproteinet aktin – utför denna uppgift. Vanligtvis glider de längs andra proteiner, liknande ett tåg på räls, och i processen "bränna" ATP (adenosintrifosfat), det kemiska bränslet, så att säga, av levande världen.

Ett antal kemister strävar efter att använda liknande principer och koncept för att designa maskiner för molekylär transport, som sedan skulle kunna utföra specifika uppgifter på nanoskalan. Enligt en artikel i den senaste upplagan av vetenskapstidningen "Nature", forskare vid universitetet i Groningen och på Empa har framgångsrikt tagit "ett avgörande steg på vägen mot konstgjorda nanoskala transportsystem". De har syntetiserat en molekyl från fyra roterande motorenheter, dvs hjul, som kan färdas rakt fram på ett kontrollerat sätt. "För att göra detta, vår bil behöver varken räls eller bensin; den går på el. Det måste vara den minsta elbilen i världen – och den kommer till och med med 4-hjulsdrift”, kommenterar Empa-forskaren Karl-Heinz Ernst.

Räckvidd per tank bränsle:fortfarande utrymme för förbättringar

Nackdelen:den lilla bilen, som mäter ungefär 4x2 nanometer – ungefär en miljard gånger mindre än en VW Golf – behöver tankas med el efter varje halvvarv på hjulen – via spetsen på ett scanning tunneling microscope (STM). Vidare, på grund av deras molekylära design, hjulen kan bara snurra åt ena hållet. "Med andra ord:det finns ingen backväxel", säger Ernst, som också är professor vid universitetet i Zürich, lakoniskt.

Enligt dess "konstruktionsplan" fungerar drivningen av den komplexa organiska molekylen enligt följande:efter att ha sublimerat den på en kopparyta och placerat en STM-spets över den, vilket lämnar ett rimligt gap, Ernsts kollega, Manfred Parschau, applicerade en spänning på minst 500 mV. Nu ska elektroner "tunnla" genom molekylen, därigenom utlöser reversibla strukturella förändringar i var och en av de fyra motorenheterna. Det börjar med att en cis-trans-isomerisering sker vid en dubbelbindning, ett slags omorganisation - i en extremt ogynnsam position i rumsliga termer, fastän, där stora sidogrupper slåss om utrymmet. Som ett resultat, de två sidogrupperna lutar för att komma förbi varandra och hamna tillbaka i sitt energiskt mer gynnsamma ursprungliga läge - hjulet har slutfört ett halvt varv. Om alla fyra hjulen snurrar samtidigt, bilen ska åka framåt. Åtminstone, enligt teori baserad på molekylstrukturen.

Att köra eller inte köra - en enkel orienteringsfråga

Och detta är vad Ernst och Parschau observerade:efter tio STM-stimuleringar, molekylen hade rört sig sex nanometer framåt – i en mer eller mindre rak linje. "Avvikelserna från den förutsagda banan beror på att det inte alls är en trivial sak att stimulera alla fyra motoriska enheterna samtidigt", förklarar "testföraren" Ernst.

Ett annat experiment visade att molekylen verkligen beter sig som förutspått. En del av molekylen kan rotera fritt runt centralaxeln, en C-C enkelbindning – bilens chassi, så att säga. Den kan därför “landa” på kopparytan i två olika riktningar:i den rätta, där alla fyra hjulen roterar i samma riktning, och i fel, där de bakre axelhjulen svänger framåt men de främre vänder bakåt - vid excitering står bilen stilla. Ernst und Parschau kunde observera detta, för, med STM.

Därför, forskarna har uppnått sitt första mål, ett ”proof of concept”, d.v.s. de har kunnat visa att enskilda molekyler kan absorbera extern elektrisk energi och omvandla den till riktad rörelse. Nästa steg som Ernst och hans kollegor föreställer sig är att utveckla molekyler som kan drivas av ljus, kanske i form av UV-lasrar.