Een groep natuurkundigen heeft onlangs de kleinste motor gebouwd die ooit is gemaakt van slechts een enkel atoom. Net als elke andere motor zet hij warmte-energie om in beweging, maar op kleinere schaal dan voorheen. Het atoom zit gevangen in een kegel van elektromagnetische energie en lasers worden gebruikt om het op te warmen en af ​​te koelen. waardoor het atoom heen en weer beweegt in de kegel als een motorzuiger.

De wetenschappers van de Universiteit van Mainz in Duitsland die achter de uitvinding zitten, hebben geen specifiek doel voor de motor in gedachten. Maar het is een goede illustratie van hoe we steeds meer in staat zijn om de alledaagse machines waarop we vertrouwen op kleine schaal te repliceren. Dit opent de weg voor een aantal spannende mogelijkheden in de toekomst, vooral bij het gebruik van nanorobots in de geneeskunde, die in het lichaam kunnen worden gestuurd om gerichte medicijnen vrij te geven of zelfs ziekten zoals kanker te bestrijden.

Nanotechnologie houdt zich bezig met ultrakleine objecten die gelijk zijn aan een miljardste van een meter groot, wat een onmogelijk kleine schaal klinkt om machines te bouwen. Maar de grootte is relatief aan hoe dicht je bij een object bent. We kunnen dingen op nanoschaal niet met het blote oog zien, net zoals we de buitenste planeten van het zonnestelsel niet kunnen zien. Maar als we inzoomen – met een telescoop voor de planeten of een krachtige elektronenmicroscoop voor nano-objecten – dan veranderen we het referentiekader en ziet het er heel anders uit.

Echter, zelfs na een nadere blik, we kunnen nog steeds geen machines bouwen op nanoschaal met conventionele technische hulpmiddelen. Terwijl gewone machines, zoals de verbrandingsmotoren in de meeste auto's, werken volgens de regels van de natuurkunde die zijn opgesteld door Isaac Newton, dingen op nanoschaal volgen de meer complexe wetten van de kwantummechanica. We hebben dus verschillende tools nodig die rekening houden met de kwantumwereld om atomen en moleculen te manipuleren op een manier die ze gebruikt als bouwstenen voor nanomachines. Hier zijn nog vier kleine machines die een grote impact kunnen hebben.

Grafeenmotor voor nanorobots

Onderzoekers uit Singapore hebben onlangs een eenvoudige motor van nanoformaat gedemonstreerd die is gemaakt van een zeer elastisch stuk grafeen. Grafeen is een tweedimensionale laag koolstofatomen met een uitzonderlijke mechanische sterkte. Door wat chloor- en fluormoleculen in het grafeenrooster te plaatsen en er een laser op af te vuren, zet het vel uit. Door de laser snel aan en uit te zetten, pompt het grafeen heen en weer als de zuiger in een verbrandingsmotor.

De onderzoekers denken dat de grafeen-nanomotor kan worden gebruikt om kleine robots aan te drijven, bijvoorbeeld om kankercellen in het lichaam aan te vallen. Of het kan worden gebruikt in een zogenaamd "lab-on-a-chip" - een apparaat dat de functies van een scheikundelab verkleint tot een klein pakketje dat kan worden gebruikt voor snelle bloedonderzoeken, onder andere.

Wrijvingsloze nano-rotor

De rotoren die beweging veroorzaken in machines zoals vliegtuigmotoren en ventilatoren hebben meestal last van wrijving, wat hun prestaties beperkt. Nanotechnologie kan worden gebruikt om een ​​motor te maken van een enkel molecuul, die zonder wrijving kan draaien. Normale rotoren interageren met de lucht volgens de wetten van Newton terwijl ze ronddraaien en zo wrijving ervaren. Maar, op nanoschaal, moleculaire rotoren volgen de kwantumwet, wat betekent dat ze niet op dezelfde manier met de lucht omgaan en dat wrijving dus geen invloed heeft op hun prestaties.

De natuur heeft ons eigenlijk al laten zien dat moleculaire motoren mogelijk zijn. Bepaalde eiwitten kunnen langs een oppervlak reizen met behulp van een roterend mechanisme dat beweging creëert uit chemische energie. Deze motoreiwitten zorgen ervoor dat cellen samentrekken en zijn dus verantwoordelijk voor onze spierbewegingen.

Onderzoekers uit Duitsland hebben onlangs gemeld dat ze een moleculaire rotor hebben gemaakt door bewegende moleculen in een klein zeshoekig gaatje te plaatsen dat bekend staat als een nanoporie in een dun stukje zilver. Door de positie en beweging van de moleculen begonnen ze als een rotor rond het gat te draaien. Opnieuw, deze vorm van nanomotor zou kunnen worden gebruikt om een ​​kleine robot rond het lichaam aan te drijven.

Bestuurbare nanoraketten

Een raket is het snelste door mensen gemaakte voertuig dat vrij door het universum kan reizen. Verschillende groepen onderzoekers hebben onlangs een hogesnelheids-, op afstand bestuurbare nanoschaalversie van een raket door nanodeeltjes te combineren met biologische moleculen.

In een geval, het lichaam van de raket was gemaakt van een polystyreen kraal bedekt met goud en chroom. Dit werd bevestigd aan meerdere "katalytische motor" -moleculen met behulp van DNA-strengen. Wanneer geplaatst in een oplossing van waterstofperoxide, de motormoleculen veroorzaakten een chemische reactie die zuurstofbellen produceerde, waardoor de raket in de tegenovergestelde richting moet bewegen. Door een straal ultraviolet licht aan één kant van de raket te laten schijnen, breekt het DNA uit elkaar, het losmaken van de motoren en het veranderen van de rijrichting van de raket. De onderzoekers hopen de raket zo te ontwikkelen dat hij in elke omgeving kan worden gebruikt, bijvoorbeeld om medicijnen af ​​te leveren aan een doelgebied van het lichaam.

Magnetische nano-voertuigen voor het vervoeren van drugs

Mijn eigen onderzoeksgroep is een van degenen die werken aan een eenvoudigere manier om medicijnen door het lichaam te vervoeren, die al wordt onderzocht met magnetische nanodeeltjes. Geneesmiddelen worden geïnjecteerd in een magnetische schaalstructuur die kan uitzetten in aanwezigheid van warmte of licht. Dit betekent dat, eenmaal in het lichaam ingebracht, ze kunnen met behulp van magneten naar het doelgebied worden geleid en vervolgens worden geactiveerd om uit te zetten en hun medicijn af te geven.

De technologie wordt ook bestudeerd voor medische beeldvorming. Het creëren van de nanodeeltjes om zich in bepaalde weefsels te verzamelen en vervolgens het lichaam te scannen met een magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) kan problemen zoals diabetes helpen benadrukken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.