Rice University kommer att rulla upp för det andra internationella Nanocar Race med ett nytt fordon. Enmolekylsbilen har en permanent dipol som gör den lättare att kontrollera. Kredit:Alexis van Venrooy/Rice University
Nanomekanik vid Rice University och University of Houston gör sig redo att varva sina motorer för det andra internationella Nanocar Race.
Även om de måste pumpa bromsarna lite längre än väntat, eftersom loppet har gått ett år till 2022, det Rice-baserade teamet driver framåt med nya konstruktioner som introduceras i American Chemical Society's Journal of Organic Chemistry .
Arbetet som leds av kemister James Tour of Rice och Anton Dubrovskiy från University of Houston-Clear Lake uppgraderar bilarna med hjul av tert-butyl som borde hjälpa dem att navigera banan som är utlagd på en yta av guld, med pyloner bestående av några välplacerade atomer.
Som deras vinnande bidrag i 2017 års första internationella Nanocar Race, dessa nanobilar har permanenta dipolmoment för att öka deras hastighet och körbarhet på ytan.
"De permanenta dipolerna gör bilarna mer mottagliga för att påverkas av elektriska fältgradienter, som används för att driva och manövrera dem, Tour sa. "Det är en funktion som vi introducerade för den första tävlingen, och jag är säker på att många av bidragen nu kommer att ha detta avancerade designelement inbyggt i sina nanobilar."
Årets modeller är också lättare, lite mer än de minsta 100 atomer som krävs enligt nya regler. "Bilen vi använde i det första loppet hade bara 50 atomer, Tour sa. "Så detta är en betydande ökning av molekylvikten, som krävs av de uppdaterade standarderna." Det är troligt att tävlingsarrangörerna ville bromsa oss sedan sist, när vi avslutade 30-timmarsloppet på bara 1,5 timme, " han sa.
För att få bilarna förbi 100 atomer samtidigt som de effektiviserar deras synteser, forskarna använde en modulär process för att tillverka fem nya bilar med antingen helt tert-butyl, alla adamantylhjul (som i tidigare nanobilar) eller kombinationer av de två.
Vid 90 atomer, bilar med endast butylhjul, som minimerar interaktioner med banan, och kortare chassi var för små. Genom att använda hjulkombinationer, rislabbet tillverkade nanobilar med 114 atomer. "Detta håller vikten på ett minimum samtidigt som det uppfyller tävlingskraven, " sa Tour.
Nanobilarna kommer återigen att köras av ett team från University of Graz i Österrike under ledning av professor Leonhard Grill. Teamet förde Rice-fordonet över mållinjen 2017 och har enorm expertis i att skanna tunnelmikroskopstyrda manipulationer, sa Tour. Grill- och Tour-grupperna möts igen i Frankrike för loppet.
Det övergripande målet med tävlingen är att främja utvecklingen av nanomaskiner som kan utföra verkligt arbete, som att frakta last i molekylär skala och underlätta nanotillverkning.
"Det här loppet tänjer på gränserna för molekylär nanobildesign och metoder för att kontrollera dem, " sa Tour. "Så genom denna konkurrensprocess, världsomspännande expertis är förhöjd och hela området för nanomanipulation uppmuntras att utvecklas desto snabbare."
Loppet, ursprungligen planerad till nästa sommar, har försenats av pandemin. Åkarna kommer fortfarande att behöva samlas i Frankrike för att övervakas av domarna, men alla team kommer att kontrollera sina bilar via internet på banor under scanning tunnelmikroskop i sina hemlabb.
"Så förarna kommer att vara tillsammans, och bilarna och banorna kommer att spridas runt om i världen, Tour sa. "Men avståndet för varje spår kommer att vara identiskt, inom några få nanometer."
Rice-Graz-bidraget vann loppet 2017 med en asterisk, eftersom dess bil rörde sig så snabbt på guldytan att det var omöjligt att ta bilder för att bedöma. Laget fick sedan tävla på en silveryta som bjöd på tillräckligt motstånd och avslutade banan på 150 nanometer på 90 minuter.
"Kursen skulle bara ha varit 100 nanometer, men laget straffades för att lägga till ytterligare 50 nanometer, sade Tour. Så småningom, Det var ingen barriär ändå." Första priset på guldbanan gick till ett schweiziskt lag som avslutade en 100 nanometers bana på sex och en halv timme.
Tours labb byggde världens första enmolekylära bil 2005 och den har gått igenom många iterationer sedan, med den relaterade utvecklingen av molekylära motorer som borrar genom celler för att leverera läkemedel.
Rice doktorand Alexis van Venrooy är huvudförfattare till tidningen. Medförfattare är Rice-alumnen Victor García-López och grundexamen John Tianci Li. Dubrovskiy är biträdande professor i kemi vid University of Houston-Clear Lake och en akademisk besökare vid Rice. Turnén är T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datavetenskap och i materialvetenskap och nanoteknik vid Rice.