Nanotechnologia

Najkrótszy wyścig świata pod względem dystansu, który wynosił zaledwie ułamek szerokości ludzkiego włosa, trwał aż 30 godzin. Biorąc pod uwagę, że pojazdy nie były widoczne dla ludzkiego oka, typowy fan wyścigów mógłby je z łatwością przeoczyć. Ale kwietniowy „nanowyścig” okazał się ogromnym sukcesem naukowców pracujących nad nanoskalą. Wyścig wywołał zainteresowanie maszynami molekularnymi i, według zespołu kierującego mikroskopijnym „monster truckiem”, doprowadził do zaskakującego odkrycia.

Naukowcy zaprezentowali wyniki swoich badań z użyciem nanopojazdu podczas 254. edycji National Meeting & Exposition organizowanej przez Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne (American Chemical Society).

„Celem nadrzędnym tego przedsięwzięcia była promocja nanonauki wśród szerszej publiczności”, powiedział dr Eric Masson. „Musieliśmy zmierzyć się z wyzwaniem technicznym, jakim było sterowanie kilkoma nanopojazdami jednocześnie, z użyciem skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Dodatkowo, każdy z zespołów miał swój własny cel. Naszym było sprawdzenie, czy jesteśmy w stanie umieścić nietknięty zestaw supramolekularny na powierzchni i kontrolować jego ruch.”

Dr Masson wraz z dr Saw-Wai Hla wspólnie dowodzili zespołem z Uniwersytetu Ohio. Zaprojektowali i zbudowali największy pojazd, mierzący około 3,5 nanometrów długości. Pojazd, oficjalnie nazwany Bobcat Nanowagon, posiadał ramę z układu pseudorotaksanu o kształcie zbliżonym do litery H oraz cztery stosunkowo duże koła z cząsteczek kukurbiturylu. Ze względu na wielkość, został ironicznie okrzyknięty monster truckiem. Jednak w przeciwieństwie do zwykłych pojazdów, nie posiadał silnika. Żeby móc poruszać nanoautem, naukowcy użyli skaningowego mikroskopu tunelowego w laboratorium dr Hla.

„W pojeździe umieściliśmy dodatnie ładunki elektryczne”, wyjaśnił dr Hla. „Zatem wyposażenie igły mikroskopu STM w ładunek dodatni i skierowanie jej w stronę pojazdu powodowało efekt odpychania i pojazd zaczynał się poruszać. Przekonaliśmy się, że ten sposób jest niezwykle skuteczny.”

Rywalizacja, okrzyknięta pierwszym wyścigiem nanosamochodów, miała miejsce 28 kwietnia we Francuskim Krajowym Centrum Badań Naukowych w Tuluzie. Sześć zespołów z trzech kontynentów sterowało swoimi pojazdami wielkości molekuł. Ale z uwagi na to, że mikroskop STM w Tuluzie jest wyposażony w zaledwie cztery igły, a każda z nich może kontrolować tylko jeden nanopojazd, zespół z Ohio musiał pozostawić swój nanowóz w laboratorium dr Hla i sterować nim zdalnie z Tuluzy.

„Coś takiego miało miejsce po raz pierwszy”, powiedział dr Hla. „Wprawialiśmy w ruch pojazd wykonany w skali atomowej, będąc na drugim końcu świata.”

Nanopojazd zespołu Massona i Hla przemierzył 43 nanometry na torze wykonanym ze złota zanim utknął ze względu na wyjątkowo ciężki odcinek wyścigu oraz z powodu spadku przepływu energii na Środkowym Zachodzie USA. Mimo że nie ukończył wyścigu, dotarł o wiele dalej, niż pojazdy trzech innych zespołów, co pozwoliło zespołowi z USA zająć trzecie miejsce.

Według Massona i Hla, dzięki wyścigowi zespół z Ohio odkrył coś niezwykłego. W trakcie konstruowania nanopojazdu, molekuły tworzące jego podwozie zostały zawieszone między cząsteczkami wody. Następnie dodano molekuły tworzące koła i wodę odparowano. Około 70% uzyskanych w ten sposób struktur wyglądało jak dwukołowe elektryczne deskorolki, kilka z nich miało trzy koła i tylko około 10% uzyskanych struktur posiadało cztery koła. Naukowcy byli zaskoczeni odkryciem, że w niewielu przypadkach molekuły kół nie były z niczym połączone.

„To oznacza, że łatwiej przerwać wiązania kowalencyjne w podwoziu, niż wiązania niekowalencyjne pomiędzy podwoziem a kołami”, wyjaśnił Masson. „Jest to całkowicie sprzeczne z intuicyjnym rozumowaniem, ponieważ wiązania niekowalencyjne są słabsze od wiązań kowalencyjnych. To taka teoretyczna ciekawostka.”

Nie wiadomo w jaki sposób ta informacja ostatecznie wpłynie na maszyny molekularne w przyszłości, choć wielu naukowców przewiduje, że podobne maleńkie pojazdy mogłyby być używane w elektronice i nośnikach danych. Masson i Hla podkreślają, że badania wciąż są na wczesnym etapie. Przed ustaleniem sposobu wykorzystania podobnych urządzeń, naukowcy muszą zrozumieć sposób zachowania molekuł w skali atomowej.

„Nasze podekscytowanie dotyczy odkrywania na nowo zasad nauk podstawowych”, powiedział dr Hla. „To dopiero początek.”

Źródło artykułu:
Materiały: American Chemical Society.
American Chemical Society. „Tajemnice najmniejszych na świecie monster trucków.” ScienceDaily. ScienceDaily, 23 sierpnia 2017. <www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170823090933.htm>