In de minuscule wereld van nanotechnologie, grote stappen zijn zeldzaam. Maar een recente ontwikkeling heeft het potentieel om ons leven enorm te verbeteren:een motor van 200 miljardste van een meter, die kleine robots zouden kunnen aandrijven om ziekten in levende cellen te bestrijden.

Het leven zelf is het bewijs van de extreme effectiviteit van nanotechnologie - de manipulatie van materie op moleculaire of atomaire schaal - waarin DNA, eiwitten en enzymen kunnen allemaal als machines worden beschouwd. In feite, onderzoekers zijn erin geslaagd om micro-propellers te maken met behulp van kleine strengen DNA. Deze strengen kunnen zo vrij en precies aan elkaar worden genaaid dat de praktijk bekend staat als "DNA-origami". Echter, DNA-origami mist kracht en operationele snelheid (het kost tijd die meetbaar is in seconden), het verminderen van zijn robotfunctie.

Maar we hebben nu nano-engines geproduceerd die kunnen worden bediend met lichtstralen om zuigers te laten werken, pompen en kleppen. Gemaakt van gouden nanodeeltjes die aan elkaar zijn gebonden door een hittegevoelige chemische stof, onze machines zijn sterk, snel en eenvoudig te bedienen, waardoor ze uiterst praktisch zijn voor toekomstige toepassingen.

Een van de grootste problemen bij het omgaan met kleine technologie is de noodzaak om een ​​sterke kracht voor een object op nanoschaal te creëren. Als je denkt aan een mens die in water beweegt, hun bewegingen zijn slechts licht beperkt en het water voelt vloeibaar aan. Maar stel je voor wat er zou gebeuren als die persoon zou krimpen tot honderdduizend keer kleiner dan een mier. Het water zou ongelooflijk stroperig aanvoelen. Om op nanoschaal gemakkelijk te kunnen bewegen, een "nanopersoon" zou een enorme kracht moeten uitoefenen voor hun grootte. Het beeld van een mier, in staat om meerdere keren zijn eigen gewicht op te tillen, komt in je op. Vandaar de naam voor onze ontdekking:het aansturen van nano-transducers - of ANT's.

De ANT's bestaan ​​uit gouden nanodeeltjes gebonden door een warmtegevoelig materiaal. Op kamertemperatuur, het bindmateriaal is ontspannen en kan worden gevuld met water, die de nanodeeltjes uit elkaar duwen. Slechts een paar graden opgewarmd met een laser, het materiaal trekt samen tot een dunne schil, de nanodeeltjes dichter bij elkaar brengen en het water verdrijven. Als het dan weer afkoelt, het water stroomt weer naar binnen en stoot de nanodeeltjes met enorme kracht af. De ANT's fungeren als een kleine maar krachtige veer, het opslaan en vrijgeven van grote hoeveelheden elastische energie met grote snelheid.

De sleutel tot de ontwikkeling van de ANT's was het gebruik van laserlicht. Door de juiste kleur licht te kiezen voor de juiste maat nanodeeltjes (in dit geval groen licht voor gouden nanodeeltjes) is het mogelijk om deze zeer snel op te warmen. In het donker, omdat ze zo klein zijn de nanodeeltjes koelen ook heel snel af. De ANT's kunnen dan binnen een microseconde opereren. Op dezelfde manier dat licht water kan opwarmen om stoommachines aan te drijven, we kunnen licht gebruiken om op nanoschaal een zuiger voor motoren te bouwen.

Exploderende mieren

"Het is als een explosie, " legt Tao Ding van het Cavendish Laboratory van Cambridge uit:"We hebben honderden gouden ballen die in een miljoenste van een seconde uit elkaar vliegen wanneer watermoleculen de polymeren om hen heen opblazen."

Een voor de hand liggende toepassing voor deze nieuwe vooruitgang zal zijn in de praktijk van microfluïdica, waarmee een heel chemisch laboratorium op een chip kan bestaan. Dit maakt de productie van geneesmiddelen en de analyse van chemicaliën met zeer hoge precisie mogelijk. Echter, microfluïdica zijn beperkt door de behoefte aan omvangrijke bedieningsapparatuur zoals pompen en kleppen die fysiek met leidingen op de chip moeten worden aangesloten.

De nieuwe ANT's kunnen worden gebruikt als kleine pompjes en kleppen die door de microfluïdische chip zelf worden verspreid en worden bediend door kleine lichtstralen zonder dat er een fysieke verbinding nodig is. Plus, de grootte van de ANT's (200-400nm) is vergelijkbaar met de grootte van de kleinste plekken waarin we licht kunnen focussen, die de technologie optimaliseert. Het gebruik van ANT's zou de komende jaren veel complexere microfluïdische ontwerpen mogelijk maken.

We kijken ook over dezelfde tijdschaal naar het gebruik van ANT's om zuigers en uiteindelijk motoren op nanoschaal te produceren, door de beweging van de ANT's te beperken tot een enkele richting. In de toekomst, dergelijke motoren zouden ons in staat kunnen stellen specifieke materialen te vervaardigen, en uiteindelijk zelfs auto's en huizen, evenals het leveren van de kracht voor nano-motoren om nano-robots in levende cellen te laten werken. Kleine stappen voor ANT's kunnen grote sprongen betekenen voor mensen.

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