Rice University forskare har skapat ljusdrivna, dränkbara fartyg med en molekyl som bara innehåller 244 atomer. Kredit:Loïc Samuel
Fast de är inte riktigt redo för att gå ombord på en fantastisk resa, "Ubåtar i nanoskala som skapats vid Rice University visar sig vara sjövärdiga.
Var och en av enkelmolekylerna, 244-atoms dränkbara båtar byggda i kemisten James Tours rislabb har en motor som drivs av ultraviolett ljus. Med varje hel varv, motorns stjärtliknande propeller flyttar ubåten framåt 18 nanometer.
Och med motorerna som går på mer än en miljon varv per minut, som översätts till hastighet. Även om ubåtens topphastighet uppgår till mindre än 1 tum per sekund, Tour sa att det är ett rasande tempo på molekylär skala.
"Det här är de snabbast rörliga molekylerna som någonsin setts i lösning, " han sa.
Uttryckt på ett annat sätt, forskarna rapporterade denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver att deras ljusdrivna nanosubmersibles visar en "förbättring av diffusion" på 26 procent. Det betyder att subs diffunderar, eller sprida ut sig, mycket snabbare än de redan gör på grund av Brownsk rörelse, det slumpmässiga sättet partiklar sprids i en lösning.
Även om de inte kan styras ännu, studien visar att molekylära motorer är tillräckligt kraftfulla för att driva sub-10 nanometer subs genom lösningar av rörliga molekyler av ungefär samma storlek.
"Detta liknar en person som går över en basketplan med 1, 000 människor kastar basketbollar på honom, " sa Tour.
Rice-studenten Victor García-López håller en flaska med miljontals nanosubmersibles med en molekyl. Kredit:Jeff Fitlow
Tours grupp har lång erfarenhet av molekylära maskiner. För ett decennium sedan, hans labb introducerade världen för nanobilar, enmolekylära bilar med fyra hjul, axlar och oberoende fjädringar som skulle kunna "drivas" över en yta.
Tour sa att många forskare har skapat mikroskopiska maskiner med motorer genom åren, men de flesta har antingen använt eller genererat giftiga kemikalier. Han sa att en motor som skapades under det senaste decenniet av en grupp i Nederländerna visade sig vara lämplig för Rices dränkbara båtar, som producerades i en 20-stegs kemisk syntes.
"Dessa motorer är välkända och används för olika saker, " sa huvudförfattaren och Rice-studenten Victor García-López. "Men vi var de första som föreslog att de kan användas för att driva nanobilar och nu undervattensfarkoster."
Motorerna, som fungerar mer som en bakteries flagell än en propeller, slutför varje varv i fyra steg. När man blir upphetsad av ljus, dubbelbindningen som håller rotorn mot kroppen blir en enkelbindning, låter den rotera ett kvarts steg. När motorn försöker återgå till ett lägre energitillstånd, den hoppar intilliggande atomer ytterligare ett kvarts varv. Processen upprepas så länge lampan lyser.
För jämförelsetester, labbet tillverkade också dränkbara båtar utan motorer, långsamma motorer och motorer som paddlar fram och tillbaka. Alla versioner av undervattensbåtarna har pontoner som fluorescerar rött när de exciteras av en laser, enligt forskarna. (Gul, tyvärr, var inte ett alternativ.)
"En av utmaningarna var att beväpna motorerna med lämpliga fluoroforer för spårning utan att ändra den snabba rotationen, " sa García-López.
Ett kemiskt schema visar designen av enmolekylära nanosubmersibler skapade vid Rice University. Subens fluorescerande pontoner är blå; motorn är röd. Kredit:Victor García-López
En gång byggd, teamet vände sig till Gufeng Wang vid North Carolina State University för att mäta hur väl nanosubarna rörde sig.
"Vi hade använt skannande tunnelmikroskopi och fluorescensmikroskopi för att se våra bilar köra, men det skulle inte fungera för undervattensfarkoster, Tour sa. "De skulle glida ur fokus ganska snabbt."
North Carolina-teamet placerade en droppe utspädd acetonitrilvätska innehållande några nanosubs mellan två objektglas och använde ett anpassat konfokalt fluorescensmikroskop för att träffa det från motsatta sidor med både ultraviolett ljus (för motorn) och en röd laser (för pontonerna).
The microscope's laser defined a column of light in the solution within which tracking occurred, García-López said. "That way, the NC State team could guarantee it was analyzing only one molecule at a time, " han sa.
Rice's researchers hope future nanosubs will be able to carry cargoes for medical and other purposes. "There's a path forward, " García-López said. "This is the first step, and we've proven the concept. Now we need to explore opportunities and potential applications."
