Een team van wetenschappers van de Universiteit van Ohio, Argonne Nationaal Laboratorium, De Universitié de Toulouse in Frankrijk en het Nara Institute of Science and Technology in Japan onder leiding van de Ohio-hoogleraar natuurkunde Saw-Wai Hla en prof. Gwenael Rapenne uit Toulouse ontwikkelden een moleculaire propeller die unidirectionele rotaties op een materiaaloppervlak mogelijk maakt wanneer deze wordt geactiveerd.

In de natuur, molecuulpropellers zijn van vitaal belang in veel biologische toepassingen, variërend van de zwemmende bacteriën tot intracellulair transport, maar synthetische moleculaire propellers, zoals wat is ontwikkeld, zijn in staat om te werken in ruwere omgevingen en onder een nauwkeurige controle. Deze nieuwe ontwikkeling is een meercomponenten moleculaire propeller die speciaal is ontworpen om op vaste oppervlakken te werken. Deze kleine propeller bestaat uit drie componenten; een moleculair tandwiel in de vorm van een ratel als basis, een driebladige propeller, en een rutheniumatoom dat fungeert als een atoomkogellager dat de twee verbindt. De afmeting van de propeller is slechts ongeveer 2 nanometer (nm) breed en 1 nm hoog.

"Het bijzondere aan onze propeller is het ontwerp met meerdere componenten dat chiraal wordt op het goudkristaloppervlak, d.w.z. het vormt naar rechts of naar links gekantelde tandwielen, "zei Hla. "Deze chiraliteit bepaalt de draairichting wanneer deze wordt geactiveerd."

Hla en zijn team zijn er ook in geslaagd om de stapsgewijze rotaties van het molecuul mechanisch te manipuleren en vast te leggen. Dit stelt hen in staat om de detailbewegingen op het niveau van een enkel molecuul te begrijpen, waardoor een directe visualisatie van de rotatie van de individuele moleculaire propellers mogelijk is op basis van afbeeldingen die bij elke rotatiestap zijn verkregen.

De rotatie vindt plaats door een aangelegd elektrisch veld, door overdracht van elektronenenergie of door mechanische kracht met een scanning tunneling microscooppunt. Door deze stroomvoorziening wetenschappers kunnen de rotatie regelen en de propeller uitschakelen door hem geen energie te geven.

Hoewel de moleculaire propeller die hier is ontwikkeld, moet worden onderzocht voor het fundamentele begrip van zijn werking, dergelijke moleculaire propellers kunnen potentiële toepassingen vinden van katalysatoren tot medicijnen.

Moleculaire machines zijn recentelijk een trending topic geworden in nanotechnologie, met belangstelling voor dit onderzoeksgebied toen de 2016 Nobelprijs voor Scheikunde werd toegekend voor het 'ontwerp en de synthese van moleculaire machines'.

Hla's artikel "Een chirale moleculaire propeller ontworpen voor unidirectionele rotaties op een oppervlak" is gepubliceerd in: Natuurcommunicatie .