Ett samarbete av forskare har föreslagit en modell för en dipolfotomotor i nanostorlek baserad på fenomenet ljusinducerad laddningsomfördelning. Utlöst av en laserpuls, denna lilla enhet kan rikta rörelser med rekordhastighet och är kraftfull nog att bära en viss belastning. Forskningsresultaten publicerades i Journal of Chemical Physics .

"De oöverträffade egenskaperna hos dipolfotomotorer baserade på halvledarnanokluster erbjuder möjligheter utöver att ta itu med en viss brist i den translationella fotomotorfamiljen. Dessa enheter skulle faktiskt kunna användas varhelst snabb nanopartikeltransport krävs. Inom kemi och fysik, de skulle kunna hjälpa till att utveckla nya analytiska och syntetiska instrument, under biologi och medicin, de kan användas för att leverera läkemedel till sjuka vävnader, förbättra genterapistrategier, och så vidare, " säger prof. Leonid Trakhtenberg vid institutionen för molekylär och kemisk fysik vid MIPT, som är ledare för forskargruppen och chef för Laboratory of Functional Nanocomposites vid ICP RAS.

Prof. Trakhtenberg samarbetade med professor Viktor Rozenbaum, som leder avdelningen för teori om nanostrukturerade system vid ISC NASU, att utveckla teorin om fotoinducerad molekylär transport. Denna teori ger ett ramverk för design av nanomaskiner vars rörelse kan styras av en laser. Forskarna har fastställt sambandet mellan flera modellparametrar (t.ex. partikeldimensioner, fotoexcitationsförhållanden etc.), och enhetens nyckelprestanda – dess medelhastighet.

Brownska motorer

Riktade nanomotorer har prototyper i naturen. Levande organismer använder sig av proteinenheter som drivs av externa icke-jämviktsprocesser av en annan karaktär. Dessa är kända som Brownian, eller molekylära motorer. De är kapabla att omvandla slumpmässig Brownsk rörelse till riktad translationsrörelse, rörelse fram och tillbaka, eller rotation. Brownska motorer är involverade i muskelkontraktion, cellmobilitet (flagellär rörlighet hos bakterier), och intra- och intercellulär transport av organeller och relativt stora partiklar av olika ämnen (t.ex. fagocytos, eller "cellätande, " och eliminering av metaboliska avfallsprodukter från cellen). Dessa enheter fungerar med en otroligt hög effektivitet som närmar sig 100%.

"Att förstå de underliggande mekanismerna för driften av naturligt förekommande molekylära motorer gör det möjligt för oss att inte bara replikera dem utan också att designa nya högeffektiva multifunktionella artificiella enheter som så småningom skulle kunna användas i nanorobotik. Under de senaste decennierna, forskare och ingenjörer inom olika områden har arbetat tillsammans och gjort några verkliga framsteg mot utvecklingen av kontrollerbara nanomaskiner. Resultaten av deras arbete erkändes som en mycket relevant prestation och ett betydande framsteg inom vetenskap och teknik när 2016 års Nobelpris i kemi delades ut för design och syntes av molekylära maskiner, säger Prof. Rozenbaum.

En Brownsk motor fungerar genom att växla mellan minst två diskreta tillstånd, som uppnås genom kemiska reaktioner, termisk verkan, AC-signaler, eller ljuspulser. I det senare fallet, enheten kallas en fotomotor.

För cirka 10 år sedan, en modell utvecklades för att beskriva arbetet med en translationell dipolfotomotor som arbetar via fotoexcitation av molekylen till ett tillstånd med ett dipolmoment som skiljer sig från det i grundtillståndet. Ju större skillnaden är mellan nanopartikelns totala dipolmoment i de två energitillstånden, desto högre medelhastighet och verkningsgrad för motorn.

Laser triggning

Den föreslagna motorn aktiveras av en resonanslaserpuls, som exciterar elektroner i det cylinderformade halvledarnanoklustret vilket orsakar en separation av laddningar och ger upphov till en elektrostatisk interaktion mellan partikeln och det polära substratet. Att utsätta nanocylindern för periodiska resonanslaserpulser gör att dess potentiella energi i substratets fält varierar med tiden, vilket i sin tur möjliggör riktad rörelse (se diagram).

Fotomotorer baserade på oorganiska nanopartiklar överträffar sina organiska molekylbaserade motsvarigheter när det gäller effektivitet och medelhastighet. I ett cylinderformat halvledarnanokluster, värdet på dipolmomentet före bestrålning är nära noll, men fotoexcitation av en elektron från bulken till ytan ger upphov till ett enormt dipolmoment (ca 40 D för en cylinder med en höjd av ca 15 Å).

"På grund av det faktum att enhetens parametrar har optimerats, vår föreslagna modell fotomotor baserad på en halvledarnanocylinder rör sig med en rekordhastighet på 1 mm/s, vilket är ungefär tre storleksordningar snabbare än liknande modeller baserade på organiska molekyler eller motorproteiner i levande organismer, säger författarna.