En innovativ mätmetod användes vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin i Warszawa för att uppskatta effekt som genereras av motorer med en enda molekylstorlek, som endast omfattar några dussintals atomer. Resultaten av studien är av avgörande betydelse för konstruktionen av framtida nanometermaskiner – och de inger inte optimism.

Nanomaskiner är framtidens enheter. Består av ett mycket litet antal atomer, de skulle vara i storleksordningen miljarddels delar av en meter. Konstruktion av effektiva nanomaskiner skulle med största sannolikhet leda till ytterligare en civilisationsrevolution. Det är därför forskare runt om i världen tittar på olika molekyler som försöker sätta dem i mekaniskt arbete.

Forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa var bland de första som hade mätt effektiviteten hos molekylära maskiner som består av några dussin atomer. "Allt pekar på tron ​​att kraften hos motorer som består av enkla, relativt små molekyler är betydligt mindre än förväntat", säger Dr Andrzej ?ywoci?ski från IPC PAS, en av medförfattarna till tidningen publicerad i Nanoskala tidning.

Molekylära motorer som studerats vid IPC PAS är molekyler av smektiska flytande kristaller av C*-typ, består av några tiotals atomer (varje molekyl är 2,8 nanometer lång). Efter avsättning på vattenytan, molekylerna, under lämpliga förhållanden, bilda spontant det tunnaste skiktet som möjligt – ett monomolekylärt skikt med specifik struktur och egenskaper. Varje flytande kristallmolekyl består av en kedja med dess hydrofila terminal förankrad på vattenytan. En relativt lång, lutande hydrofob del sticker ut över ytan. Så, monomolekylärt lager liknar en skog med träd som växer i en viss vinkel. Den fria terminalen av varje kedja inkluderar två korsvis arrangerade grupper av atomer med olika storlekar, bildar en tvåbladig propeller med blad av olika längd. När förångande vattenmolekyler träffar "propellrarna", hela kedjan börjar rotera runt sitt "ankare" på grund av asymmetri.

Specifika egenskaper hos flytande kristaller och betingelserna för experiment ger upphov till en rörelse i fas av intilliggande molekyler i monoskiktet. Det uppskattas att "skogsområden" på upp till en biljon (10^12) molekyler, bildar områden av millimeterstorlek på vattenytan, kan synkronisera sina rotationer. "Dessutom, molekylerna vi studerade roterade mycket långsamt. En rotation kan vara så lång som några sekunder upp till några minuter. Detta är en mycket önskad egenskap. Skulle molekylerna rotera med, till exempel, megahertz frekvenser, deras energi kunde knappast överföras till större föremål", förklarar Dr ?ywoci?ski.

Tidigare effektuppskattningar för molekylära nanomotorer var relaterade antingen till mycket större molekyler, eller till motorer som drivs av kemiska reaktioner. Dessutom, dessa uppskattningar tog inte hänsyn till resistensen hos mediet där molekylerna arbetade.

Fri, Kollektiva rotationer av flytande kristallmolekyler på vattenytan kan lätt observeras och mätas. Forskare från IPC PAS kontrollerade hur rotationshastigheten förändras som en funktion av temperaturen; de uppskattade också förändringar i (rotations)viskositet i det undersökta systemet. Det visade sig att energin för en molekyls rörelse som genereras under en rotation är mycket låg:bara 3,5·10^-28 joule. Detta värde är så många som tio miljoner gånger lägre än den termiska rörelseenergin.

"Våra mätningar är en hink med kallt vatten för designers av molekylära nanomaskiner", noterar prof. Robert Ho?yst (IPC PAS).

Trots att den genererar låg effekt, roterande flytande kristallmolekyler kan hitta praktiska tillämpningar. Detta beror på att en stor ensemble av kollektivt roterande molekyler genererar en motsvarande högre kraft. Dessutom, en enda kvadratcentimeter av vattenytan kan rymma många sådana ensembler med biljoner molekyler vardera.

Samma forskning vid IPC PAS inkluderade också en jämförelse av kraft som genereras av roterande molekyler av flytande kristaller med kraften hos en enda biologisk motor - en mycket stor molekyl som kallas adenosintrifosfatas (ATPas). Enzymet spelar en roll som natrium-kaliumpump i djurceller. Med lämpliga beräkningar uppskattades det att densiteten av energi som genererades i en volymenhet var cirka 100, 000 gånger högre för ATPas än för roterande flytande kristaller.

"Det tog miljontals år för evolutionen att utveckla en så effektiv molekylär pump. Vi, människor, har arbetat med molekylära maskiner i ett par eller kanske ett dussin år bara", kommenterar prof. Ho?yst och tillägger:"Ge oss bara lite tid".