En grupp fysiker byggde nyligen den minsta motorn som någonsin skapats av bara en enda atom. Som alla andra motorer omvandlar den värmeenergi till rörelse – men den gör det i mindre skala än tidigare. Atomen är fångad i en kon av elektromagnetisk energi och lasrar används för att värma upp och kyla ner den, vilket gör att atomen rör sig fram och tillbaka i konen som en motorkolv.

Forskarna från University of Mainz i Tyskland som ligger bakom uppfinningen har ingen speciell användning i åtanke för motorn. Men det är en bra illustration av hur vi i allt högre grad kan replikera de vardagsmaskiner vi litar på i liten skala. Detta öppnar vägen för några spännande möjligheter i framtiden, särskilt i användningen av nanorobotar inom medicin, som kan skickas in i kroppen för att släppa ut riktade läkemedel eller till och med bekämpa sjukdomar som cancer.

Nanoteknik hanterar ultrasmå föremål som motsvarar en miljarddels meter i storlek, vilket låter som en omöjligt liten skala att bygga maskiner på. Men storleken är relativt till hur nära du är ett föremål. Vi kan inte se saker på nanoskala med blotta ögat, precis som vi inte kan se de yttre planeterna i solsystemet. Men om vi zoomar in – med ett teleskop för planeterna eller ett kraftfullt elektronmikroskop för nanoobjekt – så ändrar vi referensramen och saker och ting ser väldigt annorlunda ut.

Dock, även efter att ha tittat närmare, vi kan fortfarande inte bygga maskiner i nanoskala med konventionella tekniska verktyg. Medan vanliga maskiner, som förbränningsmotorerna i de flesta bilar, verka enligt fysikens regler som Isaac Newton har fastställt, saker på nanoskala följer kvantmekanikens mer komplexa lagar. Så vi behöver olika verktyg som tar hänsyn till kvantvärlden för att kunna manipulera atomer och molekyler på ett sätt som använder dem som byggstenar för nanomaskiner. Här är ytterligare fyra små maskiner som kan ha stor inverkan.

Grafenmotor för nanorobotar

Forskare från Singapore har nyligen demonstrerat en enkel men nanostor motor gjord av ett mycket elastiskt stycke grafen. Grafen är ett tvådimensionellt ark av kolatomer som har exceptionell mekanisk styrka. Att föra in några klor- och fluormolekyler i grafengittret och avfyra en laser mot det får arket att expandera. Att snabbt slå på och av lasern gör att grafenet pumpar fram och tillbaka som kolven i en förbränningsmotor.

Forskarna tror att grafen nanomotorn kan användas för att driva små robotar, till exempel för att angripa cancerceller i kroppen. Eller det kan användas i ett så kallat "lab-on-a-chip" - en enhet som krymper funktionerna i ett kemilab till en liten förpackning som kan användas för snabba blodprover, bland annat.

Friktionsfri nano-rotor

De rotorer som producerar rörelse i maskiner som flygplansmotorer och fläktar lider vanligtvis av friktion, vilket begränsar deras prestanda. Nanoteknik kan användas för att skapa en motor från en enda molekyl, som kan rotera utan friktion. Normala rotorer interagerar med luften enligt Newtons lagar när de snurrar runt och så upplever friktion. Men, på nanoskala, molekylära rotorer följer kvantlagen, vilket innebär att de inte interagerar med luften på samma sätt och så friktion påverkar inte deras prestanda.

Naturen har faktiskt redan visat oss att molekylära motorer är möjliga. Vissa proteiner kan färdas längs en yta med hjälp av en roterande mekanism som skapar rörelse från kemisk energi. Dessa motorproteiner är det som får celler att dra ihop sig och är därför ansvariga för våra muskelrörelser.

Forskare från Tyskland rapporterade nyligen att de skapade en molekylär rotor genom att placera rörliga molekyler inuti ett litet sexkantigt hål känt som en nanopor i en tunn silverbit. Molekylernas position och rörelse innebar att de började rotera runt hålet som en rotor. På nytt, denna form av nanomotor kan användas för att driva en liten robot runt kroppen.

Kontrollerbara nano-raketer

En raket är det snabbaste konstgjorda fordonet som fritt kan färdas över universum. Flera grupper av forskare har nyligen konstruerat en höghastighets-, fjärrstyrd nanoskala version av en raket genom att kombinera nanopartiklar med biologiska molekyler.

I ett fall, raketkroppen var gjord av en polystyrenpärla täckt av guld och krom. Detta fästes till flera "katalytiska motorer"-molekyler med användning av DNA-strängar. När den placeras i en lösning av väteperoxid, motormolekylerna orsakade en kemisk reaktion som producerade syrebubblor, tvingar raketen att röra sig i motsatt riktning. Att lysa en stråle av ultraviolett ljus på ena sidan av raketen gör att DNA bryts isär, lossa motorerna och ändra raketens färdriktning. Forskarna hoppas kunna utveckla raketen så att den kan användas i vilken miljö som helst, till exempel för att leverera läkemedel till ett målområde av kroppen.

Magnetiska nanofordon för att bära droger

Min egen forskargrupp hör till dem som arbetar med ett enklare sätt att föra läkemedel genom kroppen som redan utforskas med magnetiska nanopartiklar. Läkemedel injiceras i en magnetisk skalstruktur som kan expandera i närvaro av värme eller ljus. Detta innebär att, när den väl har förts in i kroppen, de kan guidas till målområdet med hjälp av magneter och sedan aktiveras för att expandera och frigöra sitt läkemedel.

Tekniken studeras även för medicinsk bildbehandling. Att skapa nanopartiklar för att samlas i vissa vävnader och sedan skanna kroppen med en magnetisk resonanstomografi (MRT) kan hjälpa till att belysa problem som diabetes.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.