(PhysOrg.com) -- Tot het maximum gereduceerd:de emissievrije, geruisloze auto met vierwielaandrijving, gezamenlijk ontwikkeld door Empa-onderzoekers en hun Nederlandse collega's, staat voor lichtgewicht constructie in zijn meest extreme vorm. De nano-auto bestaat uit slechts één molecuul en rijdt op vier elektrisch aangedreven wielen in een bijna rechte lijn over een koperen oppervlak. Het “prototype” is te bewonderen op de omslag van de nieuwste editie van Natuur .

Voor het uitvoeren van mechanische werkzaamheden, men wendt zich meestal tot motoren, die chemische, thermische of elektrische energie in kinetische energie om, zeggen, goederen van A naar B vervoeren. De natuur doet hetzelfde; in cellen, zogenaamde motoreiwitten – zoals kinesine en het spiereiwit actine – voeren deze taak uit. Meestal glijden ze langs andere eiwitten, vergelijkbaar met een trein op rails, en in het proces "verbranden" ATP (adenosinetrifosfaat), de chemische brandstof, bij wijze van spreken, van de levende wereld.

Een aantal chemici wil vergelijkbare principes en concepten gebruiken om moleculaire transportmachines te ontwerpen, die dan specifieke taken op nanoschaal zou kunnen uitvoeren. Volgens een artikel in de laatste editie van het wetenschapsmagazine "Nature", wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en Empa hebben met succes "een beslissende stap gezet op weg naar kunstmatige transportsystemen op nanoschaal". Ze hebben een molecuul gesynthetiseerd uit vier roterende motoreenheden, d.w.z. wielen, die gecontroleerd rechtdoor kan rijden. “Om dit te doen, onze auto heeft geen rails of benzine nodig; het werkt op elektriciteit. Het moet de kleinste elektrische auto ter wereld zijn – en hij heeft zelfs vierwielaandrijving”, zegt Empa-onderzoeker Karl-Heinz Ernst.

Bereik per tank brandstof:nog ruimte voor verbetering

Het nadeel:de kleine auto, die ongeveer 4x2 nanometer meet - ongeveer een miljard keer kleiner dan een VW Golf - moet na elke halve omwenteling van de wielen worden bijgetankt met elektriciteit via de punt van een scanning tunneling microscope (STM). Verder, vanwege hun moleculaire ontwerp, de wielen kunnen maar in één richting draaien. “Met andere woorden:er is geen achteruitversnelling”, zegt Ernst, die ook professor is aan de Universiteit van Zürich, laconiek.

Volgens het "constructieplan" functioneert de aandrijving van het complexe organische molecuul als volgt:na het sublimeren op een koperen oppervlak en het plaatsen van een STM-tip erover, waardoor een redelijke opening ontstaat, Ernsts collega, Manfred Parschau, een spanning van minimaal 500 mV aangelegd. Nu moeten elektronen door het molecuul "tunnelen", waardoor omkeerbare structurele veranderingen in elk van de vier motoreenheden worden veroorzaakt. Het begint met een cis-trans isomerisatie die plaatsvindt bij een dubbele binding, een soort herschikking – in een ruimtelijk zeer ongunstige positie, Hoewel, waarin grote zijgroepen strijden om ruimte. Als resultaat, de twee zijgroepen kantelen om langs elkaar heen te komen en komen terug in hun energetisch gunstiger oorspronkelijke positie - het wiel heeft een halve slag gemaakt. Als alle vier de wielen tegelijkertijd draaien, de auto moet vooruit rijden. Minstens, volgens de theorie gebaseerd op de moleculaire structuur.

Rijden of niet rijden - een simpele kwestie van oriëntatie

En dit is wat Ernst en Parschau opmerkten:na tien STM-stimulaties, het molecuul was zes nanometer naar voren bewogen - in een min of meer rechte lijn. “De afwijkingen van het voorspelde traject vloeien voort uit het feit dat het helemaal niet triviaal is om alle vier de motor units tegelijk te stimuleren”, legt “testrijder” Ernst uit.

Een ander experiment toonde aan dat het molecuul zich echt gedraagt ​​zoals voorspeld. Een deel van het molecuul kan vrij rond de centrale as draaien, een C-C enkele binding - het chassis van de auto, bij wijze van spreken. Het kan daarom in twee verschillende oriëntaties op het koperen oppervlak "landen":in de juiste, waarin alle vier de wielen in dezelfde richting draaien, en in de verkeerde waarbij de achteraswielen naar voren draaien maar de voorwielen naar achteren - bij opwinding blijft de auto stilstaan. Ernst und Parschau hebben dit kunnen waarnemen, te, met de STM.

Daarom, de onderzoekers hebben hun eerste doel bereikt, een “proof of concept”, d.w.z. ze hebben kunnen aantonen dat individuele moleculen externe elektrische energie kunnen absorberen en omzetten in gerichte beweging. De volgende stap die Ernst en zijn collega's voor ogen hebben, is het ontwikkelen van moleculen die kunnen worden aangedreven door licht, misschien in de vorm van UV-lasers.