Tandwieltreinen worden al eeuwenlang gebruikt om veranderingen in de rotatiesnelheid van tandwielen om te zetten in veranderingen in rotatiekracht. auto's, boren, en eigenlijk alles wat draaiende onderdelen heeft, gebruikt ze. Tandwielen op moleculaire schaal zijn een veel recentere uitvinding die licht of een chemische stimulus zou kunnen gebruiken om het draaien van het tandwiel te starten. Onderzoekers van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, in samenwerking met onderzoeksteams van de universiteit Paul Sabatier, Frankrijk, rapport in een nieuwe studie gepubliceerd in Chemische Wetenschappen een middel om snapshots van een ultrakleine tandwieltrein - een onderling verbonden ketting van tandwielen - aan het werk te visualiseren.

NAIST-projectleider professor Gwénaël Rapenne heeft zijn carrière gewijd aan het fabriceren van mechanische apparaten op moleculaire schaal, zoals wielen en motoren. Onderzoekers hebben onlangs een tandrad ontworpen voor een moleculaire tandwieltrein, maar hebben momenteel geen middelen om de tandwielen in actie te visualiseren.

"De meest eenvoudige manier om de beweging van moleculaire tandwielen te volgen, is door middel van statische scanning tunneling microscopiebeelden. Voor deze doeleinden, een van de tanden van de tandwielen moet sterisch of elektrochemisch van de andere tanden onderscheiden zijn, ’ legt Rapenne uit.

De onderzoekers creëerden eerst een moleculair tandwiel bestaande uit vijf peddels, waarbij één peddel een paar koolstofatomen langer is dan de andere vier peddels. Echter, zoals ze vorig jaar lieten zien, verschillen in peddellengte verstoren de gecoördineerde beweging langs de tandwieltrein. Dus, verschillen in paddle-elektrochemie zijn een veelbelovende ontwerpbenadering, maar synthetisch uitdagender.

"We hebben computationele studies gebruikt om te voorspellen of elektronenzuigende eenheden of metaalchemie de elektronische eigenschappen van een peddel zouden kunnen aanpassen, zonder de grootte van de peddel te veranderen, ", zegt Rapenne. Dergelijke eigenschappen op maat zijn belangrijk omdat je ze als contrastverschillen kunt waarnemen met behulp van scanning tunneling microscopie, en daardoor statische beeldvorming te vergemakkelijken.

"Onze pentaporfyrine-tandradprototypes bevatten één peddel met een cyanofenylsubstituent of een zink- in plaats van nikkel-metaalcentrum, ", legt Rapenne uit. "Verschillende spectroscopietechnieken bevestigden de architecturen van onze syntheses."

Hoe kunnen onderzoekers deze tandwielen gebruiken? Stel je voor dat je een sterk gerichte lichtstraal schijnt, of het toepassen van een chemische stimulus, naar een van de tandwielen om een ​​rotatie te starten. Door dat te doen, men zou een reeks tandwielen op een gecoördineerde manier kunnen roteren zoals in een conventionele tandwieltrein, maar op een moleculaire schaal die bestaat in de ultieme miniaturisering van apparaten. "We hebben nu de middelen om dergelijke rotaties te visualiseren, " merkt Rapenne op.

Door deze ontwikkeling te gebruiken om mechanica-studies met één molecuul uit te voeren, Rapenne is optimistisch dat de brede onderzoeksgemeenschap een krachtig nieuw ontwerp voor geïntegreerde nanoschaalmachines zal hebben. "We zijn er nog niet, maar werken samen om het zo snel mogelijk te laten gebeuren, " hij zegt.