Bekroond met een Nobelprijs voor Scheikunde in 2016, nanomachines leveren mechanisch werk op de kleinste schaal. Maar bij zulke kleine afmetingen, moleculaire motoren kunnen dit werk slechts in één richting voltooien. Onderzoekers van het CNRS Institut Charles Sadron, onder leiding van Nicolas Giuseppone, een professor aan de Université de Strasbourg, in samenwerking met het Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), zijn erin geslaagd om complexere moleculaire machines te ontwikkelen die in de ene richting kunnen werken en de andere kant op. Het systeem kan zelfs nauwkeurig worden aangestuurd, op dezelfde manier als een versnellingsbak. De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 20 maart, 2017.

Moleculaire motoren kunnen cyclische mechanische beweging produceren met behulp van een externe energiebron, zoals een chemische stof of lichtbron, gecombineerd met Brownse beweging (ongeorganiseerde en willekeurige beweging van omringende moleculen). Echter, nanomotoren worden aan alle kanten blootgesteld aan moleculaire botsingen, wat de productie van gericht en dus nuttig mechanisch werk bemoeilijkt. De eerste moleculaire motoren uit de jaren 2000 gebruikten het principe van de "Browniaanse ratel, " die als een inkeping op een tandwiel voorkomt dat een mechanisme achteruit beweegt, zal de Brownse beweging vertekenen, zodat de motor maar in één richting functioneert. Dit maakt het mogelijk om bruikbaar werk te leveren, maar het staat geen verandering van richting toe.

Het onderzoeksteam ging dus op zoek naar een oplossing om deze beweging om te keren, wat ze deden door motoren te verbinden met moleculaire modulatoren (koppelingssubeenheden) met behulp van polymeerketens (transmissiesubeenheden). Er is ook een wiskundig model opgesteld om het gedrag van dit netwerk te begrijpen.

Bij blootstelling aan ultraviolette straling, de motoren draaien terwijl de modulatoren onbeweeglijk blijven. De polymeerketens winden zich dus om zich heen, en samentrekken als een elastiekje dat korter wordt als het wordt gedraaid. Het fenomeen kan op macroscopische schaal worden waargenomen, omdat de moleculen een materiaal vormen dat samentrekt.

Wanneer de moleculen worden blootgesteld aan zichtbaar licht, de motoren stoppen en de modulatoren worden geactiveerd. De mechanische energie opgeslagen in de polymeerketens roteert vervolgens de modulatoren in de tegenovergestelde richting van de oorspronkelijke beweging, en het materiaal breidt zich uit.

Nog spectaculairder, de onderzoekers konden aantonen dat de snelheid en snelheid van het geproduceerde werk nauwkeurig kan worden geregeld door een combinatie van UV en zichtbaar licht, als een versnellingsbak die functioneert door modulaties in frequentie tussen de motoren en modulatoren. Het team probeert nu deze studie te gebruiken om fotomechanische apparaten te ontwikkelen die mechanisch werk kunnen leveren dat wordt gecontroleerd door licht.