Tandwielen en mechanische transmissies zijn thuis in de regio Emilia-Romagna, de Motor Valley van Noord-Italië. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Bologna en het Instituut voor Organische Synthese en Fotoreactiviteit van de National Research Council (Cnr-Isof) in Bologna, onder leiding van Massimo Baroncini en Alberto Credi, heeft gepland, gebouwd en geëxploiteerd NanoGear, een apparaat dat bestaat uit in elkaar grijpende moleculaire componenten en is ontworpen om als tandwiel te functioneren. Aangezien moleculen nanometrische objecten zijn (1 nanometer =1 miljoenste van een millimeter), het is een buitengewoon klein apparaat:zeker, de kleinste versnelling ooit geproduceerd in het Italiaanse land van motoren.

"De overdracht en transformatie van nanometrische bewegingen in biologische moleculen vormen de basis van de belangrijkste functies van levende organismen. deze verschijnselen worden slecht begrepen in kunstmatige moleculen omdat ze buitengewoon moeilijk te identificeren en waar te nemen zijn. De constructie van moleculaire apparaten zoals NanoGear is een eerste stap voorwaarts in de richting van de ontwikkeling van ultrageminiaturiseerde mechanische apparaten op basis van moleculaire motoren, met potentiële doorbraaktoepassingen op verschillende gebieden van technologie en geneeskunde ", zegt Alberto Credi.

Het apparaat

Het NanoGear-molecuul behoort tot de klasse van rotaxanen en bestaat uit drie componenten:een ring die langs een as kan schuiven met in het midden een rotor.

"De ring kan over de gehele lengte vrij over de as schuiven, maar het kan niet ontsnappen omdat twee omvangrijke groepen (stoppers) aan de uiteinden van de as voorkomen dat het wegglijdt. De rotor kan vrij rond zijn eigen as draaien en heeft twee verschillende 'bladen' om het observeren van de beweging te vergemakkelijken, " legt Massimo Baroncini uit. "Het belangrijkste ontwerpelement van NanoGear ligt in het feit dat de rotor direct met de as is verbonden door middel van een reguliere chemische (covalente) binding, terwijl de ring mechanisch om de as wordt vergrendeld door de aanwezigheid van de stoppers. Zowel de translatie van de ring als de rotatie van de rotor zijn willekeurige oscillaties die worden bepaald door de thermische energie van het molecuul; met andere woorden, de versnelling is niet gekoppeld aan een motor en functioneert 'in neutraal'. Geavanceerde nucleaire magnetische resonantietechnieken werden gebruikt om de bewegingen te observeren en hun snelheden te meten."

Bij 65 °C, de ring pendelt ongeveer 7 keer per minuut van het ene uiteinde van de as naar het andere, over de rotor gaan; in dezelfde tijd, de laatste voltooit ongeveer 260 rotaties. Daarom zijn de twee bewegingen niet gesynchroniseerd; echter, ze beïnvloeden elkaar wederzijds, zoals aangetoond door experimenten die zijn uitgevoerd op moleculen die lijken op NanoGear maar zonder de rotor of de ring.

Een ander significant en onverwacht resultaat is het effect van het medium waarin het molecuul is gedispergeerd:door het oplosmiddel te veranderen, een van de twee bewegingen wordt vertraagd, terwijl de andere wordt versneld. Zo'n 'specifieke smering' vindt geen overeenkomst in de macroscopische wereld, en vormt een van de onconventionele eigenschappen van nanodevices die kunnen leiden tot radicale technologische innovaties.

Het project

Kunstmatige moleculaire machines, bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde in 2016, energie uit een bron omzetten in gecontroleerde bewegingen op nanoschaal en zijn een van de meest opvallende resultaten van nanotechnologie. Om deze bewegingen te exploiteren, echter, passieve elementen die ze kunnen verwerken en naar andere componenten kunnen verzenden, zoals het gebeurt in macroscopische apparaten, zijn noodzakelijk. In dit onderzoek, chemici werken op dezelfde manier als ingenieurs en architecten, maar objecten manipuleren die een miljard keer kleiner zijn, omdat hun bouwstenen atomen en moleculen zijn.

NanoGear is het resultaat van een project dat ongeveer vijf jaar geleden is ontstaan ​​en maakt deel uit van een onderzoeksactiviteit waarin het Center for Light Activated Nanostructures (Clan), een gezamenlijk laboratorium van de Universiteit van Bologna en de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad, is een internationaal referentiepunt.

NanoGear is gemaakt met de steun van een Advanced Grant van de European Research Council (ERC), de meest prestigieuze en competitieve beurs voor wetenschappelijk onderzoek in Europa. Vroeger, hetzelfde laboratorium had al de publieke aandacht getrokken door moleculaire pompen te ontwikkelen ( Natuur Nanotechnologie , 2015) en sponzen ( Natuurchemie , 2015) aangedreven door licht. De centrale rol van het in Bologna uitgevoerde onderzoek naar moleculaire machines werd erkend tijdens het evenement "MolecularMachinesDays", gehouden in Bologna in november 2018 met deelname van de drie Nobelprijswinnaars voor Scheikunde van 2016.

De resultaten

De realisatie van kunstmatige apparaten bestaande uit moleculen is van groot belang voor de ontwikkeling van nanotechnologie. "Zoals blijkt uit de resultaten die de afgelopen jaren in laboratoria over de hele wereld zijn verkregen, nanotechnologie kan ons voorzien van lichtere en sterkere materialen, kleinere en krachtigere computers en robots, betere systemen voor het omzetten en opslaan van energie, nieuwe methoden voor medische diagnostiek en therapieën, ", zegt Alberto Credi. "NanoGear is een kleine maar belangrijke stap in deze richting. Hoewel het momenteel moeilijk is om een ​​specifiek gebruik van NanoGear te identificeren, het fundamentele onderzoek dat tot zijn ontwikkeling heeft geleid, heeft een revolutionair potentieel voor wetenschap en technologie dat veel verder gaat dan praktische toepassingen op de korte termijn."