Een samenwerkingsverband van wetenschappers heeft een model voorgesteld voor een dipoolfotomotor met nanogrootte, gebaseerd op het fenomeen van door licht geïnduceerde herverdeling van lading. Getriggerd door een laserpuls, dit kleine apparaat is in staat tot gerichte bewegingen met een recordsnelheid en is krachtig genoeg om een ​​bepaalde lading te dragen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"De ongekende eigenschappen van dipool-fotomotoren op basis van halfgeleider-nanoclusters bieden perspectieven die verder gaan dan het aanpakken van een bepaalde schaarste van de familie van translationele fotomotoren. Deze apparaten zouden eigenlijk overal kunnen worden gebruikt waar snel transport van nanodeeltjes vereist is. In de scheikunde en natuurkunde, ze zouden kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe analytische en synthetische instrumenten, terwijl in biologie en geneeskunde, ze kunnen worden gebruikt om medicijnen af ​​te geven aan zieke weefsels, gentherapiestrategieën verbeteren, enzovoort, " zegt Prof. Leonid Trakhtenberg van de afdeling Moleculaire en Chemische Fysica aan het MIPT, die de leider is van het onderzoeksteam en het hoofd van het Laboratorium voor Functionele Nanocomposieten bij ICP RAS.

Prof. Trakhtenberg werkte samen met Prof. Viktor Rozenbaum, hoofd van de afdeling Theorie van Nanogestructureerde Systemen bij ISC NASU, om de theorie van fotogeïnduceerd moleculair transport te ontwikkelen. Deze theorie biedt een raamwerk voor het ontwerp van nanomachines waarvan de beweging kan worden bestuurd door een laser. De wetenschappers hebben de relatie tussen verschillende modelparameters vastgesteld (bijv. deeltjes afmetingen, foto-excitatieomstandigheden enz.), en het belangrijkste prestatiekenmerk van het apparaat:de gemiddelde snelheid.

Brownse motoren

Gestuurde nanomotoren hebben prototypes in de natuur. Levende organismen maken gebruik van eiwitapparaten die worden aangedreven door externe niet-evenwichtsprocessen van een andere aard. Deze staan ​​bekend als Browniaans, of moleculaire motoren. Ze zijn in staat willekeurige Brownse beweging om te zetten in gerichte translatiebeweging, wederkerigheid, of rotatie. Brownse motoren zijn betrokken bij spiercontractie, celmobiliteit (flagelmotiliteit van bacteriën), en het intra- en intercellulaire transport van organellen en relatief grote deeltjes van verschillende stoffen (bijv. fagocytose, of "cel eten, " en verwijdering van metabolische afvalproducten uit de cel). Deze apparaten werken met een verbazingwekkend hoge efficiëntie die de 100% nadert.

"Door de onderliggende mechanismen van de werking van natuurlijk voorkomende moleculaire motoren te begrijpen, kunnen we ze niet alleen repliceren, maar ook nieuwe, zeer efficiënte multifunctionele kunstmatige apparaten ontwerpen die uiteindelijk kunnen worden toegepast in nanorobotica. De afgelopen decennia hebben we onderzoekers en ingenieurs op verschillende gebieden hebben samengewerkt en enige echte vooruitgang geboekt in de richting van de ontwikkeling van bestuurbare nanomachines. De resultaten van hun werk werden erkend als een zeer relevante prestatie en een belangrijke vooruitgang in wetenschap en technologie toen de 2016 Nobelprijs voor Scheikunde werd toegekend voor het ontwerp en de synthese van moleculaire machines, " zegt prof. Rozenbaum.

Een Brownse motor werkt door te schakelen tussen ten minste twee discrete toestanden, die wordt bereikt door middel van chemische reacties, thermische actie, AC-signalen, of lichtpulsen. In het laatste geval, het apparaat wordt een fotomotor genoemd.

Ongeveer 10 jaar geleden, er werd een model ontwikkeld om het werk te beschrijven van een translatie-dipoolfotomotor die via foto-excitatie van het molecuul werkt in een toestand met een dipoolmoment dat verschilt van dat in de grondtoestand. Hoe groter het verschil tussen de totale dipoolmomenten van het nanodeeltje in de twee energietoestanden, hoe hoger de gemiddelde snelheid en het rendement van de motor.

Lasertriggering

De voorgestelde motor wordt geactiveerd door een resonerende laserpuls, die elektronen opwekt in de cilindervormige halfgeleider nanocluster, waardoor een ladingsscheiding ontstaat en een elektrostatische interactie ontstaat tussen het deeltje en het polaire substraat. Door de nanocilinder te onderwerpen aan periodieke resonerende laserpulsen, varieert de potentiële energie in het veld van het substraat met de tijd, die op zijn beurt gerichte beweging mogelijk maakt (zie diagram).

Fotomotoren op basis van anorganische nanodeeltjes presteren beter dan hun op organische moleculen gebaseerde tegenhangers in termen van efficiëntie en gemiddelde snelheid. In een cilindervormige halfgeleider nanocluster, de waarde van het dipoolmoment vóór bestraling is bijna nul, maar foto-excitatie van een elektron van de massa naar het oppervlak geeft aanleiding tot een enorm dipoolmoment (ongeveer 40 D voor een cilinder met een hoogte van ongeveer 15 Å).

"Omdat de parameters van het apparaat zijn geoptimaliseerd, ons voorgestelde model fotomotor gebaseerd op een halfgeleider nanocilinder beweegt met een recordsnelheid van 1 mm/s, wat ongeveer drie ordes van grootte sneller is dan vergelijkbare modellen op basis van organische moleculen of motoreiwitten in levende organismen, ", zeggen de auteurs.