Allt mindre och mer invecklat – utan miniatyrisering skulle vi inte ha de komponenter idag som krävs för högpresterande bärbara datorer, kompakta smartphones eller högupplösta endoskop. Nu pågår forskning i nanoskala på strömbrytare, rotorer eller motorer som består av endast ett fåtal atomer för att bygga så kallade molekylära maskiner. Ett forskarlag vid FAU har framgångsrikt byggt världens minsta energidrivna kugghjul med motsvarande motsvarighet. Nanoväxeln är den första som också aktivt kan styras och drivas. Forskarnas resultat har nyligen publicerats i tidskriften Nature Chemistry .

Miniatyrisering spelar en nyckelroll i vidareutvecklingen av modern teknik och gör det möjligt att tillverka mindre enheter som har mer kraft. Det spelar också en betydande roll i tillverkningen, eftersom det gör att funktionella material och mediciner kan produceras med tidigare oöverträffade precisionsnivåer. Nu har forskning kommit in i nanoskalan – som är osynlig för blotta ögat – med fokus på enskilda atomer och molekyler. Betydelsen av detta nya forskningsfält demonstreras av Nobelpriset i kemi, som delades ut för forskning om molekylära maskiner 2016.

Några viktiga komponenter som används i molekylära maskiner som brytare, rotorer, pincett, robotarmar eller till och med motorer finns redan i nanoskala. En ytterligare väsentlig komponent för alla maskiner är kugghjulet, som tillåter förändringar i riktning och hastighet och gör det möjligt att koppla rörelser till varandra. Molekylära motsvarigheter finns också för kugghjul, men hittills har de bara rört sig passivt fram och tillbaka, vilket inte är särskilt användbart för en molekylär maskin.

Det molekylära kugghjulet som utvecklats av forskargruppen ledd av prof. Dr. Henry Dube, ordförande för organisk kemi I vid FAU och tidigare chef för en junior forskargrupp vid LMU i München, mäter endast 1,6 nm. Forskargruppen har lyckats aktivt driva ett molekylärt kugghjul och dess motsvarighet och har därmed löst ett grundläggande problem i konstruktionen av maskiner på nanoskala.

Växeln består av två komponenter som är sammankopplade med varandra och består av endast 71 atomer. En komponent är en triptycenmolekyl vars struktur liknar ett propeller- eller skovelhjul. Den andra komponenten är ett platt fragment av en tioindigomolekyl, liknande en liten platta. Om plattan roterar 180 grader roterar propellern endast 120 grader. Resultatet är ett utväxlingsförhållande på 2:3.

Nanoväxeln styrs av ljus, vilket gör den till ett molekylärt fotoredskap. Eftersom de drivs direkt av ljusenergin, rör sig plattan och triptycenpropellern i låst synkron rotation. Enbart värme var inte tillräckligt för att få växeln att rotera, som FAU-teamet upptäckte. När forskarna värmde upp lösningen runt växeln i mörkret vände propellern, men det gjorde inte plattan — växeln "glid". Forskarna kom alltså fram till att nanoväxeln kan aktiveras och styras med hjälp av en ljuskälla. + Utforska vidare

Team utvecklar robust molekylär propeller för enkelriktade rotationer