Rice University-onderzoekers die de eerste nanocars ontwikkelden en collega's van de North Carolina State University ontdekten in recente tests dat het besturen van hun voertuigen in omgevingsomstandigheden - blootgesteld aan open lucht, in plaats van een vacuüm - werd na een tijd onvoorspelbaar omdat de hydrofobe auto's met één molecuul aan de "weg" bleven plakken en creëerden wat neerkwam op grote verkeersdrempels.

De bevindingen werden gerapporteerd in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C .

Het werk van Rice chemicus James Tour, NC State analytisch chemicus Gufeng Wang en hun collega's kwamen toen Rice zich voorbereidde om deel te nemen aan de eerste NanoCar Race in Toulouse, Frankrijk, in oktober. Rice-onderzoekers zijn lid van een van de vijf internationale teams die van plan zijn deel te nemen aan de competitie.

Net als in de macrowereld, rijomstandigheden zijn belangrijk voor rijdende nanocars. Hoewel de race in een ultrakoud vacuüm zal worden verreden, de Rice-onderzoekers vonden het verstandig om te onderzoeken hoe hun nieuwste model nanocars het zou doen in een meer natuurlijke omgeving.

"Ons langetermijndoel is om nanomachines te maken die in omgevingen werken, "Zei Tour. "Dan zullen ze potentieel laten zien om nuttige hulpmiddelen te worden voor medicijnen en bottom-up productie."

De nieuwste generatie Rice-nanocars heeft adamantane-wielen die enigszins hydrofoob (waterafstotend) zijn. Tour zei dat enige hydrofobiciteit belangrijk is om de nanocars aan een oppervlak vast te houden, maar als de banden te hydrofoob zijn, de auto's kunnen permanent worden geïmmobiliseerd. Dat komt omdat hydrofobe dingen de neiging hebben om aan elkaar te kleven om de hoeveelheid oppervlakte die in contact komt met water te minimaliseren. Dingen die hydrofiel zijn, of van water houden, zijn meer vatbaar om vrij in het water te drijven, zei toer.

In de laatste Rice-tests met de nieuwe banden, de nanocars werden geplaatst op oppervlakken die ofwel schoon glas waren of glas bedekt met het polymeer polyethyleenglycol (PEG). Glas is het meest gebruikte substraat in nanocar-onderzoek. Tour zei dat de PEG-gecoate glasplaatjes werden gebruikt voor hun aangroeiwerende – niet-kleverige – eigenschappen, terwijl de schone glasplaatjes werden behandeld met waterstofperoxide zodat de hydrofobe wielen niet zouden blijven plakken.

Hij zei dat de auto's niet zozeer werden bestuurd als wel "gerichte diffusie" ondergingen in de tests. Het punt, hij zei, was om de kinetiek van nanocar-beweging vast te stellen en de potentiële energie-oppervlakte-interactie tussen de auto en het oppervlak in de loop van de tijd te begrijpen.

"We willen weten waarom een ​​nanoauto 'op de rem gaat' en hoeveel externe energie we nodig hebben om hem weer in beweging te krijgen, " hij zei.

De onderzoekers lieten hun auto's vrij rondrennen op een stevig oppervlak dat aan de lucht was blootgesteld en volgden hun bewegingen door opwindende ingebouwde fluorescerende tags.

De auto's die via Brownse diffusie bewogen, vertraagden gedurende de 24 uur dat de dia's werden geobserveerd. Tour zei dat dia's moleculen uit de lucht absorbeerden; naarmate meer en meer van deze moleculen aan het oppervlak kleven, de dia's worden tijdens het experiment steeds "vuiler". Elke nanocar is een enkele, complexe molecule die slechts een paar honderd atomen bevat, dus alle andere moleculen die ze op de rijbaan tegenkomen, zijn enorme obstakels die werken als plakkerig schuim. Elke botsing met een van deze obstakels zorgt ervoor dat de nanocar langzamer gaat rijden, en uiteindelijk komen de auto's permanent vast te zitten.

Wang zei dat vanuit een energetisch perspectief - dat wil zeggen, de energetische relatie tussen de moleculaire auto's en de auto's die de weg vormen - moleculen geadsorbeerd uit de lucht genereren veel potentiële energiebronnen, net als plassen op het potentiële energieoppervlak. Deze plassen kunnen de nanocars vertragen of permanent opsluiten.

Tests toonden aan dat bijna twee keer zoveel auto's leken te bewegen op de niet-klevende PEG-glaasjes, en ze bewogen allemaal een beetje sneller dan die op het kale glas.

De onderzoekers merkten op dat ze de nieuwe modellen niet konden bekijken met scanning tunneling microscopen omdat die alleen in vacuüm werken en energie uitstralen die de beweging van de auto's kan beïnvloeden. Om deze reden, de onderzoekers labelden elke nanocar met een fluorescerende marker en gebruikten confocale microscopen om de bewegingen van de auto's te volgen.