Konstnärlig återgivning av en nanomaskin som kombinerar motor (röd och blå) och koppling (grön och lila) underenheter anslutna med överföringsunderenheter (polymerkedjor representerade som strängar). Dessa två typer av subenheter vänder sig i motsatta riktningar när de utsätts för två distinkta ljuskällor. När motorerna svänger (aktiveras av UV -ljus), de flätar paren av polymerkedjor, och materialkontrakten. När kopplingsunderenheterna vrids (under påverkan av vitt ljus), de räds inte för polymerkedjorna, och materialet sträcker sig. Genom att variera ljusintensiteten, det är möjligt att modulera den relativa frekvensen för flätning och avflingning, och för att därigenom hantera den övergripande överföringen av rörelsen, liknar ett fordons växellåda. Motorunderenheten visas i detalj nere till höger, och modulenhetens underenhet längst upp till vänster. Upphovsman:Gad Fuks / Nicolas Giuseppone / Mathieu Lejeune / Woverwolf / Shutterstock.com
Belönade med ett Nobelpris i kemi 2016, nanomaskiner ger mekaniskt arbete på de minsta skalorna. Men vid så små dimensioner, molekylära motorer kan slutföra detta arbete i endast en riktning. Forskare från CNRS:s Institut Charles Sadron, ledd av Nicolas Giuseppone, professor vid Université de Strasbourg, arbetar i samarbete med Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), har lyckats utveckla mer komplexa molekylära maskiner som kan fungera i en riktning och dess motsats. Systemet kan till och med styras exakt, på samma sätt som en växellåda. Studien publicerades i Naturnanoteknik den 20 mars, 2017.
Molekylära motorer kan producera cyklisk mekanisk rörelse med hjälp av en extern energikälla, t.ex. en kemisk eller ljuskälla, kombinerat med brunisk rörelse (oorganiserad och slumpmässig rörelse av omgivande molekyler). Dock, nanomotorer utsätts för molekylära kollisioner på alla sidor, vilket komplicerar produktionen av riktat och därmed användbart mekaniskt arbete. De första molekylmotorerna från 2000 -talet använde principen för "Brownian spärr, "som ett snäpp på ett kugghjul som hindrar en mekanism från att röra sig bakåt, kommer att förspänna brunisk rörelse så att motorn fungerar i endast en riktning. Detta gör det möjligt att tillhandahålla användbart arbete, men det tillåter inte en riktningsändring.
Forskargruppen försökte därför hitta en lösning för att vända denna rörelse, vilket de gjorde genom att ansluta motorer till molekylära modulatorer (kopplingsunderenheter) med hjälp av polymerkedjor (transmissionsunderenheter). En matematisk modell har också upprättats för att förstå nätverkets beteende.
Vid exponering för ultraviolett strålning, motorerna svänger medan modulatorerna förblir orörliga. Polymerkedjorna slingrar sig alltså runt sig själva, och drar ihop sig som ett gummiband som förkortas när det vrids. Fenomenet kan observeras i makroskopisk skala, eftersom molekylerna bildar ett material som drar ihop sig.
När molekylerna utsätts för synligt ljus, motorerna stannar och modulatorerna aktiveras. Den mekaniska energin som lagras i polymerkedjorna roterar sedan modulatorerna i motsatt riktning av den ursprungliga rörelsen, och materialet sträcker sig.
Ännu mer spektakulärt, forskarna kunde visa att hastigheten och hastigheten på det producerade arbetet kan regleras noggrant genom en kombination av UV och synligt ljus, som en växellåda som fungerar genom moduleringar i frekvens mellan motorerna och modulatorerna. Teamet försöker nu använda denna studie för att utveckla fotomekaniska enheter som kan tillhandahålla mekaniskt arbete som styrs av ljus.
