Een model microscopisch systeem om de overdracht van koppel in aanwezigheid van thermische fluctuaties aan te tonen - noodzakelijk voor het creëren van een kleine 'koppeling' die op nanoschaal werkt - is geassembleerd aan de Universiteit van Bristol als onderdeel van een internationale samenwerking.

Bij het besturen van een auto, de koppeling brengt het door de motor geproduceerde koppel mechanisch naar het chassis van het voertuig - een koppeling die al lang is getest en geoptimaliseerd in dergelijke macroscopische machines, waardoor we zeer efficiënte motoren hebben. Voor microscopische machines, echter, het ontwikkelen van een koppeling die op nanoschaal zou werken, is veel uitdagender omdat, op microscopische lengteschalen, verschillende fysica moet worden overwogen. Thermische fluctuaties spelen een steeds dominantere rol naarmate een apparaat wordt geminiaturiseerd, wat leidt tot een grotere verspilling van energie en de noodzaak om nieuwe ontwerpprincipes te ontwikkelen.

In het model microscopisch systeem ontwikkeld door wetenschappers uit Bristol, Dusseldorf, Mainz, Princeton en Santa Barbara, een ring van colloïdale deeltjes is gelokaliseerd in een optisch pincet en automatisch vertaald op een cirkelvormig pad, het overbrengen van een roterende beweging naar een verzameling identieke colloïden beperkt tot het binnenste gebied.

Dr Paddy Royall van de Universiteit van Bristol zei:"Dit apparaat lijkt veel op een wasmachine, maar de afmetingen zijn klein. Door optische manipulatie kan de deeltjesring naar believen worden samengeknepen, het veranderen van de koppeling tussen de aangedreven en belaste delen van het samenstel en het verschaffen van een koppelingsachtige bedieningsmodus."

Colloïdale suspensies vallen in de categorie materialen die bekend staat als 'zachte materie', en het is aangetoond dat de zachtheid van het roterende apparaat leidt tot nieuwe transmissieverschijnselen die niet worden waargenomen in macroscopische machines. "Het benutten van de zachtheid van nanomaterialen geeft ons extra en ongekende controlemechanismen die kunnen worden gebruikt bij het ontwerpen van microscopische machines, "Verklaarde Dr. Royall.

Naast de experimenten die zijn uitgevoerd aan de Universiteit van Bristol, natuurkundigen van de Universiteit van Düsseldorf hebben modelcomputersimulaties ontwikkeld om koppelkoppeling op nanoschaal verder te onderzoeken. Dit maakt het meten van de efficiëntie van nanomachines mogelijk, die klein is maar kan worden geoptimaliseerd door zorgvuldige controle van de systeemparameters.

De onderzoekers hebben drie verschillende transmissieregimes geïdentificeerd:een solide-achtig scenario dat het koppel net als een macroscopisch tandwiel overbrengt; een vloeistofachtig scenario waarin veel van de energie-input verloren gaat door wrijving en een tussenliggend slipscenario dat uniek is voor zachte materialen en dat aspecten van het vaste-achtige en vloeistofachtige gedrag combineert.

"Een basiskennis van het koppelingsproces zal ons inzicht geven in de constructie van nanomachines, waarbij koppeloverdracht absoluut essentieel is, " zei professor Hartmut Loewen van de Universiteit van Düsseldorf.

De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .