Pojazdy elektryczne, napędzane makroskopowymi silnikami elektrycznymi, coraz częściej pojawiają się na naszych ulicach i autostradach. Te ciche i przyjazne dla środowiska maszyny powstały prawie 200 lat temu, kiedy fizycy zrobili pierwsze małe kroki, aby wprowadzić na świat silniki elektryczne.
Teraz multidyscyplinarny zespół kierowany przez Northwestern University stworzył silnik elektryczny, którego nie widać gołym okiem: silnik elektryczny w skali molekularnej.
Ta wczesna praca – silnik, który może przekształcać energię elektryczną w ruch jednokierunkowy na poziomie molekularnym – ma implikacje dla materiałoznawstwa, a zwłaszcza medycyny, gdzie elektryczny silnik molekularny mógłby współpracować z silnikami biomolekularnymi w ludzkim ciele.
„Przenieśliśmy nanotechnologię molekularną na wyższy poziom” – powiedział Sir Fraser Stoddart z Northwestern, który w 2016 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę nad projektowaniem i syntezą maszyn molekularnych. „Ta elegancka chemia wykorzystuje elektrony do skutecznego napędzania silnika molekularnego, podobnie jak silnik makroskopowy. Chociaż ta dziedzina chemii jest w powijakach, przewiduję, że pewnego dnia te małe silniki będą miały ogromny wpływ na medycynę”.
Stoddart, profesor chemii w Weinberg College of Arts and Sciences, jest współautorem badania. Badania przeprowadzono w ścisłej współpracy z Deanem Astumianem, teoretykiem maszyn molekularnych i profesorem na University of Maine, oraz Williamem Goddardem, chemikiem obliczeniowym i profesorem w California Institute of Technology. Long Zhang, doktor habilitowany w laboratorium Stoddarta, jest pierwszym autorem artykułu i współautorem-korespondentem.
„Przenieśliśmy nanotechnologię molekularną na inny poziom”. — Sir Fraser Stoddart, chemik
Silnik molekularny o szerokości zaledwie 2 nanometrów jest pierwszym produkowanym masowo w dużych ilościach. Silnik jest łatwy w wykonaniu, działa szybko i nie wytwarza żadnych odpadów.
Badanie i odpowiadający mu komunikat prasowy zostały opublikowane dzisiaj (11 stycznia) w czasopiśmie Nature.
Zespół badawczy skupił się na pewnym typie cząsteczki z zazębiającymi się pierścieniami zwanymi katenanami, utrzymywanymi razem za pomocą silnych wiązań mechanicznych, dzięki czemu elementy mogły się swobodnie poruszać względem siebie bez rozpadania się. (Stoddart dziesiątki lat temu odegrał kluczową rolę w tworzeniu wiązania mechanicznego, nowego rodzaju wiązania chemicznego, które doprowadziło do rozwoju maszyn molekularnych).
Elektryczny silnik molekularny jest w szczególności oparty na [3]katenan, którego składniki – pętla spleciona z dwoma identycznymi pierścieniami – są aktywne redoks, tj. poruszają się w jednym kierunku w odpowiedzi na zmiany potencjału napięcia. Naukowcy odkryli, że do osiągnięcia tego jednokierunkowego ruchu potrzebne są dwa pierścienie. Eksperymenty wykazały, że A [2]katenan, który ma jedną pętlę połączoną z jednym pierścieniem, nie działa jako silnik.
Synteza i działanie molekuł pełniących funkcję silnika – przekształcania energii zewnętrznej w ruch kierunkowy – od pewnego czasu stanowi wyzwanie dla naukowców z dziedziny chemii, fizyki i nanotechnologii molekularnej.
Aby dokonać przełomu, Stoddart, Zhang i ich zespół z Northwestern spędzili ponad cztery lata na projektowaniu i syntezie swojego elektrycznego silnika molekularnego. Obejmowało to rok pracy z Astumianem z UMaine i Goddardem z Caltech w celu ukończenia obliczeń mechaniki kwantowej w celu wyjaśnienia mechanizmu działania silnika.
„Kontrolowanie względnego ruchu komponentów w skali molekularnej jest ogromnym wyzwaniem, dlatego współpraca była kluczowa” – powiedział Zhang. „Współpraca z ekspertami w dziedzinie syntezy, pomiarów, chemii obliczeniowej i teorii umożliwiła nam opracowanie elektrycznego silnika molekularnego, który działa w roztworze”.
Zgłoszono kilka przykładów jednocząsteczkowych silników elektrycznych, ale wymagają one trudnych warunków pracy, takich jak użycie ultrawysokiej próżni, a także wytwarzają odpady.
Naukowcy powiedzieli, że kolejnym krokiem dla ich elektrycznego silnika molekularnego jest przymocowanie wielu silników do powierzchni elektrody, aby wpłynąć na powierzchnię i ostatecznie wykonać użyteczną pracę.
„Osiągnięcie, o którym dzisiaj mówimy, jest świadectwem kreatywności i produktywności naszych młodych naukowców, a także ich gotowości do podejmowania ryzyka” – powiedział Stoddart. “Ta praca daje mi i zespołowi ogromną satysfakcję.”
Stoddart jest członkiem Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii i Roberta H. Lurie Comprehensive Cancer Center na Northwestern University.