Wissenschaftler bauen mit Licht betriebene U-Boote im Nanomaßstab: Schnelle Einmolekül-U-Boote sind eine Premiere | 2020

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Anonim

Jedes der im Rice-Labor des Chemikers James Tour gebauten einmolekularen Tauchboote mit 244 Atomen verfügt über einen Motor, der mit ultraviolettem Licht betrieben wird. Bei jeder vollen Umdrehung bewegt der heckartige Propeller des Motors das U-Boot um 18 Nanometer vorwärts.

Und wenn die Motoren mit mehr als einer Million Umdrehungen pro Minute laufen, bedeutet das Geschwindigkeit. Obwohl die Höchstgeschwindigkeit des U-Bootes weniger als 1 Zoll pro Sekunde beträgt, ist dies laut Tour ein halsbrecherisches Tempo auf molekularer Ebene.

"Dies sind die sich am schnellsten bewegenden Moleküle, die jemals in Lösung gesehen wurden", sagte er.

Anders ausgedrückt berichteten die Forscher diesen Monat im Journal der American Chemical Society Nano-Buchstaben dass ihre lichtgetriebenen Nanosubmersibles eine "Diffusionsverbesserung" von 26 Prozent aufweisen. Das bedeutet, dass die U-Boote viel schneller diffundieren oder sich ausbreiten, als dies bereits aufgrund der Brownschen Bewegung der Fall ist.

Obwohl sie noch nicht gesteuert werden können, beweist die Studie, dass molekulare Motoren stark genug sind, um die Sub-10-Nanometer-Subwoofer durch Lösungen von sich bewegenden Molekülen etwa gleicher Größe zu treiben.

"Dies ist vergleichbar mit einer Person, die über einen Basketballplatz läuft und von 1.000 Personen mit Basketbällen beworfen wird", sagte Tour.

Die Gruppe von Tour verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit molekularen Maschinen. Vor einem Jahrzehnt hat sein Labor die Welt für Nanofahrzeuge, einmolekulare Autos mit vier Rädern, Achsen und unabhängigen Aufhängungen, die über eine Oberfläche "gefahren" werden können, geöffnet.

Laut Tour haben viele Wissenschaftler im Laufe der Jahre mikroskopische Maschinen mit Motoren entwickelt, die meisten haben jedoch giftige Chemikalien verwendet oder erzeugt. Er sagte, ein Motor, der im letzten Jahrzehnt von einer Gruppe in den Niederlanden erfunden wurde, sei für Rice-Tauchboote geeignet, die in einer 20-stufigen chemischen Synthese hergestellt wurden.

"Diese Motoren sind bekannt und werden für verschiedene Zwecke eingesetzt", sagte der Hauptautor und Reis-Doktorand Victor García-López. "Aber wir waren die Ersten, die vorgeschlagen haben, dass sie zum Antrieb von Nanofahrzeugen und jetzt auch von Tauchbooten verwendet werden können."

Die Motoren, die eher wie ein Flagellum als wie ein Propeller arbeiten, führen jede Umdrehung in vier Schritten aus. Bei Anregung durch Licht wird die Doppelbindung, die den Rotor am Körper hält, zu einer Einfachbindung, die es ihm ermöglicht, sich um einen Viertelschritt zu drehen. Wenn der Motor versucht, in einen niedrigeren Energiezustand zurückzukehren, springt er für eine weitere Vierteldrehung zu benachbarten Atomen. Der Vorgang wiederholt sich, solange das Licht an ist.

Für Vergleichstests stellte das Labor auch Tauchboote ohne Motoren, langsame Motoren und Motoren her, die hin und her paddeln. Laut den Forschern haben alle Versionen der Tauchboote Pontons, die rot fluoreszieren, wenn sie von einem Laser angeregt werden. (Gelb war leider keine Option.)

"Eine der Herausforderungen bestand darin, die Motoren mit den geeigneten Fluorophoren für die Verfolgung zu versehen, ohne die schnelle Rotation zu verändern", sagte García-López.

Nach dem Bau wandte sich das Team an Gufeng Wang von der North Carolina State University, um zu messen, wie gut sich die Nanosubs bewegten.

"Wir hatten Rastertunnelmikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie verwendet, um unsere Autos fahren zu sehen, aber das würde für die Unterwasserfahrzeuge nicht funktionieren", sagte Tour. "Sie würden ziemlich schnell unscharf werden."

Das Team aus North Carolina schob einen Tropfen verdünnter Acetonitrilflüssigkeit mit einigen Nanosub zwischen zwei Objektträger und traf ihn mit einem benutzerdefinierten konfokalen Fluoreszenzmikroskop von gegenüberliegenden Seiten sowohl mit ultraviolettem Licht (für den Motor) als auch mit einem roten Laser (für die Pontons).

Der Laser des Mikroskops definierte eine Lichtsäule in der Lösung, in der das Tracking stattfand, sagte García-López. "Auf diese Weise konnte das NC State-Team garantieren, dass jeweils nur ein Molekül analysiert wurde", sagte er.

Die Forscher von Rice hoffen, dass künftige Nanosubs Ladungen für medizinische und andere Zwecke befördern können. "Es gibt einen Weg nach vorne", sagte García-López. "Dies ist der erste Schritt, und wir haben das Konzept bewiesen. Jetzt müssen wir Möglichkeiten und potenzielle Anwendungen ausloten."

Mitautoren der Arbeit sind der Rice-Alumnus Pinn-Tsong Chiang und der Postdoktorand Gedeng Ruan; Fang Chen, Absolvent des Staates North Carolina; Angel Martí, außerordentlicher Professor für Chemie, Bio- und Materialwissenschaften sowie Nanotechnologie, und Anatoly Kolomeisky, Professor für Chemie und Chemieingenieurwesen sowie für Biomolekulartechnologie, beide bei Rice.