Dr. Saw-Wai Hla en Dr. Eric Masson zijn enthousiast over de prestaties van hun team in 's werelds eerste nanocar-race in april, maar voor hen het was een leuk startpunt voor een veel groter doel.

"De nanocar-race is niet het einde; het is slechts het allereerste begin van ons project, "Hla, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, zei. "We deden niet alleen mee aan deze wedstrijd om te winnen, maar om een ​​gecontroleerd transportsysteem op moleculaire schaal te ontwikkelen."

Dat is het eerste deel van het doel; de tweede is om te helpen bij het creëren van een nieuw studiegebied - kwantummechanica - dat nu alleen in het vroege theoretische stadium wordt besproken.

De nanocar-race was een unieke wedstrijd:zes teams werkten om auto's te bouwen die tegen elkaar konden racen op een circuit. Echter, deze auto's waren niet groter dan een paar moleculen, en de auto van het Ohio University-team stond niet eens in Frankrijk, waar de race werd gehouden; in plaats daarvan, het was een kwart van de weg rond de planeet, in het laboratorium van Hla aan de Universiteit van Ohio.

Masson, een universitair hoofddocent scheikunde en biochemie, en zijn team bouwden de auto van OHIO, bekend als de "Bobcat Nanowagon, " werkte toen met Hla om het in een solid-state "racebaan" gemaakt van goud te krijgen. Hla's team "reed" de auto over een baan van 100 nanometer. Het rijden gebeurt door een positieve of negatieve elektrische lading aan te brengen om de nanocar effectief in een bepaalde richting te "duwen" of "trekken".

Uiteindelijk besloeg de inzending van OHIO 43 nanometer, maar zou gemakkelijk zijn geëindigd, Hla zei, zo niet voor een alledaagse vijand:het weer in Ohio. Een onweersbui op de dag van de race veroorzaakte stroomproblemen die het team ten dode opstelden - niet dat iemand klaagde.

"Dit is de eerste keer dat we controlemanipulatie op atomair niveau over een oceaan hebben gemaakt met behulp van afstandsbediening. Dat is de technologie zelf. Dit is een technische doorbraak, " zei Hla. Het team dat won, bestaande uit leden van Rice University en Oostenrijk, ook op afstand deelgenomen, maar uit een laboratorium in Oostenrijk, dezelfde tijdzone als Toulouse, Frankrijk, waar de wedstrijd werd gehouden. Het team uit Ohio moest werken met een tijdsverschil van zes uur. Net als de auto van het Franse team, de Ohio Bobcat Nanowagon voldeed aan alle vermelde criteria voor de competitie:het had meer dan 100 atomen (644, in feite), en werd geopereerd aan een gouden ondergrond.

"Onze auto is de enige auto die eruitziet als een auto, het is functioneel, en het is een pure Amerikaanse auto. Het is misschien niet de mooiste, maar het werkt, " zei Hla. OHIO's was ook de enige van de zes die een supramoleculaire auto was - hij had vijf in elkaar grijpende moleculen.

"In principe, het is de eerste supramoleculaire auto ooit ontworpen. Het is ook de grootste nanoauto ooit gebouwd, ' zei Masson.

Hla en Masson hopen grotere nanocars te maken die kunnen vangen, andere moleculen op een precieze manier verplaatsen of vrijgeven, effectief bouwen van moleculaire structuren voor een willekeurig aantal toepassingen. Dat is waar de kwantummechanica om de hoek komt kijken. Hla vergeleek het met onze gewone machinebouw die wordt gebruikt om auto's te ontwerpen. gebouwen en andere constructies.

“Al die machines staan ​​op onze schaal; we kunnen de concepten gebruiken die we al kennen van werktuigbouwkundigen. voor nanocars die we ontwikkelen of elke moleculaire machine die we ontwikkelen op nanoschaal, we kunnen geen van die concepten gebruiken. Geen, ' zei Hla.

De nanocar is een goed voorbeeld; ook al heeft het vier wielen en beweegt het over een oppervlak, Hla en Masson zijn nog bezig om te ontdekken of de wielen over het oppervlak glijden of rollen. Op nanoniveau is zwaartekracht is niet relevant, dus de manier waarop de nanocar zich aan het oppervlak hecht en hoe deze zich voortbeweegt, is van groot belang voor fundamenteel wetenschappelijk begrip.

"Dus de aantrekkingskracht van de auto om aan het oppervlak te blijven plakken heeft niets te maken met zwaartekracht. Het heeft alles te maken met interacties op atomair niveau tussen dat wiel en het oppervlak, " zei Hla. "In het kwantumregime, de energieoverdracht naar het aandrijven van de machines, alles, is totaal anders dan onze wereld. Echter, er is geen onderwerp dat kwantummechanica wordt genoemd. Niemand weet precies wat de energie zal zijn die we nodig hebben. Dat is op dit moment een grote uitdaging en een flinke boost in de onderzoeksrichting. Alle financieringsagentschappen in de VS en over de hele wereld zijn er echt zwaar op uit, dit jaar, vanaf nu; het wordt erg populair."

Het concept van moleculaire machines is niet nieuw; Hla zei dat onze lichamen ze hebben, in de vorm van DNA dat voortdurend reparaties uitvoert. Maar er zijn niet veel door mensen gemaakte, hij zei.

"Vooral een die geschikt is om te werken in solid-state apparaten, zoals iPhones of computers, " zei hij. "... In mijn groep in OHIO, we meten nieuwe eigenschappen van moleculaire machines en proberen ze te begrijpen."

Als de nanocars in massa kunnen worden geproduceerd en gecontroleerd, vooral veel tegelijk, ze kunnen worden gebruikt om elektronische schakelingen en gegevensopslagapparaten te bouwen of te herstructureren, bijvoorbeeld. Een gegevensopslagapparaat van nanoformaat zou een revolutie teweegbrengen in de industrie.

"Moderne elektronica is tegenwoordig veel groter dan onze schaal, "Zei Hla. "De schaal die momenteel... het is nog steeds ongeveer 1 miljoen keer per gebied groter dan het onze. We kunnen onze nanocars gebruiken als dataopslag. U beschikt over ultradichte gegevensopslag. Waarschijnlijk de informatie van de hele wereld, je zou er één mobiele telefoon in kunnen stoppen, bijvoorbeeld."

Of denk aan de schaal als volgt:een nanoauto is ongeveer acht vierkante nanometer. De breedte van een mensenhaar is ongeveer 8, 000 vierkante nanometer. Dus, about a billion nanocars would fit in that space.

Voor nu, natuurlijk, this is all in the theoretical phase. Hla and Masson said there is a lot of research and experimentation to be done. En, ze zeiden, they couldn't do it alone; their students have been active in running experiments and one, Ryan Tumbleson, even drove the "Bobcat Nanowagon" during the race.

Hla said others are working on similar projects, so OHIO has to remain on the forefront.

"If we don't do it, somebody else will be doing it, so we'd better lead it, " he said. "Maybe one day the university will have a special department, quantum mechanical engineering."

He said there's no reason Ohio University can't take the lead; in feite, he says it already has.

"Don't look down because we are from OHIO; we are unique, " he says. "There was only one complete group from the US that competed (in the nanocar race). We can change the world, in a good way."

De technologie, Hla said, can help in many ways.

"There are many areas, I do believe, that will be hugely impacted. Medicijn, elektronica, information technology, just to name a few. Those are the real impacts. However, it has to start from somewhere."