Machines van moleculair formaat zouden in de toekomst kunnen worden gebruikt om belangrijke mechanismen in het lichaam aan te sturen. In een recente studie, onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley en Umeå University laten zien hoe een nanoballon bestaande uit een enkel koolstofmolecuul dat tienduizend keer dunner is dan een mensenhaar, elektrostatisch kan worden bestuurd om te schakelen tussen een opgeblazen en een ingeklapte toestand.

Opblaasbare ballonactuators worden vaak gebruikt voor macroscopische toepassingen om gebouwen op te tillen, als botsbescherming in auto's of om vernauwde of verstopte slagaders of aders te verbreden. Op microschaal worden ze gebruikt als micropompen en in de natuur creëren springspinnen met vloeistof gevulde kussens van microformaat om hun benen in explosieve sprongen aan te drijven.

interessant, op nanoschaal, ballonactuators zijn vrijwel onbekend. Echter, een paar jaar geleden stelden onderzoekers van de Penn State University theoretisch een ladingsgestuurde nanoballon-actuator voor op basis van het instorten en opnieuw in elkaar zetten van een koolstofnanobuisje.

Nutsvoorzieningen, dit is experimenteel gerealiseerd door Hamid Reza Barzegar en zijn collega's. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift van Nano-letters ze laten zien hoe een koolstofnanobuis, die kan worden gevisualiseerd als een cilindrische buis van koolstofatomen, kan worden bestuurd om van een ingeklapte naar een opgeblazen toestand te transformeren en vice versa door een kleine spanning aan te leggen. Het defectvrije karakter van koolstofnanobuisjes impliceert dat een dergelijke actuator zou kunnen werken zonder slijtage of vermoeidheid. Dit wordt ook aangetoond door de onderzoekers die de actuator meerdere cycli hebben laten lopen zonder tekenen van prestatieverlies.

"Het werk is conceptueel interessant en geeft inzicht in de complexiteit van het beheersen van beweging op nanoschaal door externe stimuli", zegt Hamid Reza Barzegar, doctor in de natuurkunde aan de universiteit van Umeå, nu werkzaam bij UC Berkeley in de onderzoeksgroep van professor Alex Zettl. "Het geeft ook inzicht in fundamentele fysica, zoals hoe het capaciteitseffect en in het algemeen de elektrostatische krachten kunnen worden gebruikt om de dynamiek van moleculaire structuren te regelen."

"In een langer perspectief kan men zich ook voorstellen hoe onze bevindingen kunnen worden gebruikt voor pneumatische controle op moleculair niveau of voor het ontwerpen van moleculaire containers die kunnen openen of sluiten door de oppervlakteladingen van de moleculen te regelen, door bijvoorbeeld de pH van de oplossing waarin de moleculen zijn gedispergeerd af te stemmen. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor medische toepassingen, zoals het afleveren van medicijnen aan inwendige organen of tumoren", zegt Thomas Wågberg, universitair hoofddocent natuurkunde aan de universiteit van Umeå.

De ontdekking van moleculaire machines werd dit jaar bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde. Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart en Bernard L Feringa kregen de prijs voor het ontwikkelen van moleculen met controleerbare bewegingen, die een taak kan uitvoeren wanneer energie wordt toegevoegd.