Kugghjul har använts i århundraden för att översätta förändringar i växelns rotationshastighet till förändringar i rotationskraften. Bilar, borrar, och i princip allt som har snurrande delar använder dem. Kugghjul i molekylär skala är en mycket nyare uppfinning som kan använda ljus eller en kemisk stimulans för att initiera växelrotation. Forskare vid Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, i samarbete med forskarlag vid University Paul Sabatier, Frankrike, rapport i en ny studie publicerad i Kemivetenskap ett sätt att visualisera ögonblicksbilder av ett ultralitet kugghjul – en sammankopplad kedja av kugghjul – på jobbet.

NAIST-projektledaren professor Gwénaël Rapenne har ägnat sin karriär åt att tillverka mekaniska anordningar i molekylär skala, såsom hjul och motorer. Forskare designade nyligen ett kugghjul för ett molekylärt kugghjul men har för närvarande inga medel att visualisera växlarna i aktion.

"Det enklaste sättet att övervaka rörelsen hos molekylära kugghjul är genom statisk scanning tunnelmikroskopibilder. För dessa ändamål, en av kugghjulens tänder måste vara antingen steriskt eller elektrokemiskt skild från de andra tänderna, " förklarar Rapenne.

Forskarna skapade först ett molekylärt kugghjul bestående av fem paddlar, där en paddel är några kolatomer längre än de andra fyra paddlarna. Dock, som de visade förra året, skillnader i paddellängd stör den samordnade rörelsen längs kugghjulståget. Således, skillnader i paddelelektrokemi är en mer lovande designmetod men syntetiskt mer utmanande.

"Vi använde beräkningsstudier för att förutsäga om elektronbortdragande enheter eller metallkemi kunde skräddarsy de elektroniska egenskaperna hos en paddel, utan att ändra paddelstorlek, " säger Rapenne. Sådana skräddarsydda egenskaper är viktiga eftersom man kan observera dem som skillnader i kontrast genom att använda scanning tunneling mikroskopi, och därigenom underlätta statisk avbildning.

"Våra pentaporfyriniska kugghjulsprototyper innehöll en skovel med antingen en cyanofenylsubstituent eller ett zink-istället för nickel-metallcentrum, " förklarar Rapenne. "Olika spektroskopitekniker bekräftade arkitekturen för våra synteser."

Hur kan forskare använda dessa kugghjul? Föreställ dig att lysa en starkt fokuserad ljusstråle, eller applicera en kemisk stimulans, till ett av kugghjulen för att initiera en rotation. Genom att göra så, man skulle kunna rotera en serie kugghjul på ett koordinerat sätt som i ett konventionellt kugghjul, men i molekylär skala som består i den ultimata miniatyriseringen av enheter. "Vi har nu möjlighet att visualisera sådana rotationer, " konstaterar Rapenne.

Genom att använda denna utveckling för att utföra enmolekylära mekanikstudier, Rapenne är optimistisk att det breda forskarsamhället kommer att ha en kraftfull ny design för integrerade nanoskalamaskiner. "Vi är inte där än, men arbetar tillsammans för att få det att hända så snart som möjligt, " han säger.