Nanomechanica aan de Rice University en de University of Houston maken zich klaar om hun motoren te laten draaien voor de tweede internationale Nanocar Race.

Hoewel ze iets langer op de rem moeten trappen dan verwacht, aangezien de race een jaar is verschoven naar 2022, het op Rice gebaseerde team gaat door met nieuwe ontwerpen die zijn geïntroduceerd in de American Chemical Society's Tijdschrift voor Organische Chemie .

Het werk onder leiding van chemici James Tour of Rice en Anton Dubrovskiy van de Universiteit van Houston-Clear Lake upgradet de auto's met wielen van tert-butyl die hen moeten helpen de baan te navigeren die op een oppervlak van goud is uitgestippeld, met pylonen bestaande uit een paar goed geplaatste atomen.

Zoals hun winnende inzending in 2017's eerste internationale Nanocar Race, deze nanocars hebben permanente dipoolmomenten om hun snelheid en bestuurbaarheid op het oppervlak te verhogen.

"De permanente dipolen maken de auto's vatbaarder voor beïnvloeding door elektrische veldgradiënten, die worden gebruikt om ze voort te stuwen en te manoeuvreren, " zei Tour. "Het is een functie die we hebben geïntroduceerd voor de eerste wedstrijd, en ik weet zeker dat veel van de inzendingen dit geavanceerde ontwerpelement nu in hun nanocars zullen hebben ingebouwd."

De modellen van dit jaar zijn ook lichter, iets meer dan de minimum 100 atomen die vereist zijn door nieuwe regelgeving. "De auto die we in de eerste race gebruikten, had slechts 50 atomen, " zei Tour. "Dus dit is een substantiële toename van het molecuulgewicht, zoals vereist door de bijgewerkte normen." Het is waarschijnlijk dat de race-organisatoren ons wilden vertragen sinds de laatste keer, toen we de 30-uurs race in slechts 1,5 uur voltooiden, " hij zei.

Om de auto's voorbij 100 atomen te brengen terwijl ze hun syntheses stroomlijnen, gebruikten de onderzoekers een modulair proces om vijf nieuwe auto's te maken met ofwel alle tert-butyl, alle adamantyl-wielen (zoals in eerdere nanocars) of combinaties van beide.

Bij 90 atomen, auto's met alleen butylwielen, die de interactie met het spoor minimaliseren, en kortere chassis waren te klein. Door wielcombinaties te gebruiken, het Rice-lab maakte nanocars met 114 atomen. "Dit houdt het gewicht tot een minimum beperkt en voldoet aan de race-eisen, ' zei Tour.

De nanocars worden wederom bestuurd door een team van de Universiteit van Graz in Oostenrijk onder leiding van professor Leonhard Grill. Het team bracht het Rice-voertuig in 2017 over de finish en heeft een enorme expertise in het scannen van tunneling-microscoopgestuurde manipulaties, zei toer. De groepen Grill en Tour ontmoeten elkaar weer in Frankrijk voor de race.

Het overkoepelende doel van de wedstrijd is het bevorderen van de ontwikkeling van nanomachines die echt kunnen werken, zoals het vervoeren van vracht op moleculaire schaal en het faciliteren van nanofabricage.

"Deze race verlegt de grenzen van het ontwerp van moleculaire nanocars en de methoden om ze te controleren, Tour zei. "Dus door dit competitieve proces, wereldwijde expertise wordt verhoogd en het hele gebied van nanomanipulatie wordt aangemoedigd om des te sneller vooruitgang te boeken."

De race, oorspronkelijk gepland voor volgende zomer, heeft vertraging opgelopen door de pandemie. De racers moeten zich nog steeds in Frankrijk verzamelen om te worden gecontroleerd door de jury, maar alle teams zullen hun auto's via internet besturen op sporen onder scanning tunneling microscopen in hun thuislabs.

"Dus de chauffeurs zullen samen zijn, en de auto's en sporen zullen over de hele wereld worden verspreid, " zei Tour. "Maar de afstand van elke track zal identiek zijn, tot op enkele nanometers."

De Rice-Graz-inzending won de race van 2017 met een asterisk, omdat zijn auto zo snel op het gouden oppervlak bewoog dat het onmogelijk was om foto's vast te leggen om te beoordelen. Het team mocht vervolgens racen op een zilveren ondergrond die voldoende weerstand bood en legde het parcours van 150 nanometer af in 90 minuten.

"De koers zou maar 100 nanometer zijn geweest, maar het team werd bestraft om 50 nanometer extra toe te voegen, " zei Tour. "Uiteindelijk, het was sowieso geen barrière." De eerste prijs op de gouden baan ging naar een Zwitsers team dat een parcours van 100 nanometer aflegde in zes en een half uur.

Tour's lab bouwde 's werelds eerste auto met één molecuul in 2005 en heeft sindsdien vele iteraties ondergaan, met de gerelateerde ontwikkeling van moleculaire motoren die door cellen boren om medicijnen af ​​te leveren.

Rice afgestudeerde student Alexis van Venrooy is hoofdauteur van het artikel. Co-auteurs zijn Rice-alumnus Victor García-López en student John Tianci Li. Dubrovskiy is een assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Houston-Clear Lake en een academische bezoeker bij Rice. Tour is de T.T. en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice.