Met behulp van geavanceerd 3D-printen, Onderzoekers van Dartmouth College hebben de sleutel ontgrendeld om microscopisch kleine nanoringen om te zetten in slimme materialen die werk op menselijke schaal uitvoeren.

Nanomachines kunnen nu al medicijnen afgeven en dienen als computergeheugens op kleine nanometerschaal. Door de integratie van een 3D-printtechniek die is ontwikkeld door Dartmouth's Ke Functional Materials Group, onderzoekers kunnen een nog groter potentieel voor deze minimachines ontsluiten.

Het onderzoek is op 22 maart gepubliceerd in de online editie van Angewandte Chemie , het prestigieuze tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging.

"Tot nu toe, het gebruik van het mechanische werk van nanomachines was buitengewoon moeilijk. We komen langzaam dichter bij het punt dat de kleine machines kunnen werken op een schaal die we kunnen zien, aanraken en voelen." zei Chenfeng Ke, Universitair docent scheikunde aan het Dartmouth College en hoofdonderzoeker voor het onderzoek.

In een voorbeeld van Ke, het slimme materiaal van de eerste generatie tilde een dubbeltje op met een gewicht van 2.268 g. De munt, 15 keer het gewicht van de constructie die het optilde, werd 1,6 mm verhoogd - het equivalent van een mens die een auto optilt.

"Het maken van op nanomachines gebaseerd slim materiaal is nog steeds buitengewoon complex en we zijn nog maar net begonnen, maar deze nieuwe techniek kan het ontwerp en de fabricage mogelijk maken van complexe slimme apparaten die momenteel buiten ons bereik liggen, " zei Ke.

Het ontwerp van het nieuwe materiaal is gebaseerd op Nobelprijswinnend onderzoek dat mechanisch vergrendelde moleculen (MIM's) op nanoschaal in werkende machines heeft veranderd. Eerder, onderzoekers hebben aangetoond hoe licht, hitte en veranderde pH-niveaus kunnen beweging forceren binnen een structuur - bekend als een rotaxaan - bestaande uit ringen op een moleculaire as. Op dezelfde manier worden kralen aan een touwtje geregen, het glijden - of pendelen - van ringen langs de as zorgt ervoor dat de moleculen van vorm veranderen en energie opslaan.

Volgens het blad, MIM's worden al veel gebruikt als moleculaire shuttles, schakelaars, spieren en pompen. Maar al jaren scheikundigen zijn gedwarsboomd door het probleem van het ordenen van hun willekeurige posities. Het vaststellen van een dergelijke volgorde is van cruciaal belang om te voorkomen dat de structuren elkaars mechanische beweging opheffen, zodat hun moleculaire bewegingen kunnen worden versterkt.

"Ons werk biedt het eerste ontwerpprincipe om 3D-printbaarheid toe te voegen aan nanomachines. Belangrijk is dat we hebben ook moleculaire bewegingen getransformeerd naar macroschaal om nuttig werk te doen, " zei Ke, die zijn postdoctoraal onderzoek deed bij een van de 2016 Nobelprijswinnaars, Sir Fraser Stoddart.

De onderzoeksgroep ontwierp en synthetiseerde op MIM gebaseerde gels met eigenschappen die wenselijk zijn voor 3D-printen. Gebruikmakend van de waterstofbindingsinteracties tussen nanoringen, ze hebben met succes roosterachtige 3D-structuren geprint. Door de assen te verknopen, structuren met een goede 3D structurele integriteit en mechanische stabiliteit werden gecreëerd.

Onderzoekers ontdekten dat de complexe 3D-architectuur van deze structuren omkeerbaar kan worden vervormd en hervormd door uitwisseling van oplosmiddelen die de ringstructuur met schroefdraad schakelt tussen willekeurige pendelen en stationaire toestanden op moleculair niveau. Dit vormveranderende en herstelgedrag bleek gemakkelijk vele malen te worden herhaald.

"Net als het verplaatsen van kralen om een ​​snaar te versterken of te verzwakken, deze actie is van cruciaal belang omdat het de versterking van moleculaire beweging in macroscopische beweging mogelijk maakt door de omzetting van chemische energie-invoer in mechanisch werk, " zei Qianming Lin, de eerste auteur van het artikel en een eerstejaarsstudent aan de afdeling scheikunde van het Dartmouth College.

Ke en zijn team hopen dat deze vooruitgang wetenschappers in staat zal stellen slimme materialen en apparaten te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, door samentrekking en draaien toe te voegen aan de stijgende beweging, moleculaire machines kunnen nuttig zijn als zachte robots die gecompliceerde taken uitvoeren die vergelijkbaar zijn met een menselijke hand.