Chemici aan de School of Arts and Sciences van Tufts University hebben 's werelds eerste elektromotor met één molecuul ontwikkeld, een ontwikkeling die mogelijk een nieuwe klasse apparaten kan creëren die kunnen worden gebruikt in toepassingen variërend van medicijnen tot engineering.

In onderzoek online gepubliceerd op 4 september in Natuur Nanotechnologie, het Tufts-team meldt een elektromotor die slechts 1 nanometer groot is, baanbrekend werk gezien het huidige wereldrecord een motor van 200 nanometer is. Een enkele streng mensenhaar is ongeveer 60, 000 nanometer breed.

Volgens E. Charles H. Sykes, doctoraat, universitair hoofddocent scheikunde bij Tufts en senior auteur op het papier, het team is van plan de door Tufts gebouwde elektromotor in te dienen bij Guinness World Records.

"Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de constructie van moleculaire motoren die worden aangedreven door licht en door chemische reacties, maar dit is de eerste keer dat elektrisch aangedreven moleculaire motoren zijn aangetoond, ondanks enkele theoretische voorstellen, "zegt Sykes. "We hebben kunnen laten zien dat je een enkel molecuul van elektriciteit kunt voorzien en het iets kunt laten doen dat niet zomaar willekeurig is."

Sykes en zijn collega's waren in staat om een ​​moleculaire motor aan te sturen met elektriciteit door gebruik te maken van een state-of-the-art, lage temperatuur scanning tunneling microscoop (LT-STM), een van de slechts 100 in de Verenigde Staten. De LT-STM gebruikt elektronen in plaats van licht om moleculen te "zien".

Het team gebruikte de metalen punt van de microscoop om een ​​elektrische lading te geven aan een butylmethylsulfidemolecuul dat op een geleidend koperoppervlak was geplaatst. Dit zwavelhoudende molecuul had koolstof- en waterstofatomen die werden uitgestraald en vormden wat leek op twee armen, met vier koolstoffen aan de ene kant en aan de andere kant. Deze koolstofketens konden vrij rond de zwavel-koperbinding draaien.

Het team stelde vast dat ze, door de temperatuur van het molecuul te regelen, de rotatie van het molecuul direct konden beïnvloeden. Temperaturen rond de 5 Kelvin (K), of ongeveer min 450 graden Fahrenheit (ºF), bleek het ideaal te zijn om de beweging van de motor te volgen. Bij deze temperatuur, de Tufts-onderzoekers waren in staat om alle rotaties van de motor te volgen en de gegevens te analyseren.

Hoewel er voorzienbare praktische toepassingen zijn met deze elektromotor, er zouden doorbraken moeten worden gemaakt in de temperaturen waarbij elektrische moleculaire motoren werken. De motor draait veel sneller bij hogere temperaturen, waardoor het moeilijk is om de rotatie van de motor te meten en te regelen.

"Zodra we een beter begrip hebben van de temperaturen die nodig zijn om deze motoren te laten functioneren, er kan een toepassing zijn in de echte wereld in sommige detectie- en medische apparaten waarbij kleine pijpjes betrokken zijn. De wrijving van de vloeistof tegen de buiswanden neemt toe op deze kleine schaal, en het bedekken van de muur met motoren kan helpen om vloeistoffen voort te stuwen, "zei Sykes. "Het koppelen van moleculaire beweging aan elektrische signalen zou ook miniatuurtandwielen kunnen creëren in elektrische circuits op nanoschaal; deze tandwielen kunnen worden gebruikt in miniatuurvertragingslijnen, die worden gebruikt in apparaten zoals mobiele telefoons."

Het veranderende gezicht van de chemie

Studenten van de middelbare school tot het doctoraatsniveau speelden een integrale rol in de complexe taak van het verzamelen en analyseren van de beweging van de kleine moleculaire motoren.

"Betrokkenheid bij dit soort onderzoek kan een verhelderende, en in sommige gevallen levensveranderend, ervaring voor studenten, ", zei Sykes. "Als we mensen eerder in de wetenschappen kunnen interesseren, door dit soort projecten er is een grotere kans dat we de carrière die ze later in hun leven kiezen, kunnen beïnvloeden."

Als bewijs dat het ertoe kan doen om in een vroeg stadium een ​​wetenschappelijke basis te verwerven, een van de middelbare scholieren die bij het onderzoek betrokken was, Nikolaj Klebanov, ging zich inschrijven bij Tufts; hij is nu een tweedejaars hoofdvak in chemische technologie.