Klein, mini, nano: 's werelds kleinste tandwiel

Steeds kleiner en ingewikkelder - zonder miniaturisatie zouden we tegenwoordig niet de componenten hebben die nodig zijn voor krachtige laptops, compacte smartphones of endoscopen met hoge resolutie. Er wordt nu op nanoschaal onderzoek gedaan naar schakelaars, rotors of motoren die uit slechts enkele atomen bestaan ??om zogenaamde moleculaire machines te bouwen. Een onderzoeksteam van de Friedrich Alexander universiteit in Neurenberg (DE) heeft nu 's werelds kleinste door energie aangedreven tandwiel met bijbehorende tegenhanger gebouwd. De nano-reductor is de eerste die ook actief kan worden aangestuurd en aangedreven.

De bevindingen van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in Nature Chemistry.

Sommige belangrijke componenten die in moleculaire machines worden gebruikt, zoals schakelaars, rotoren, tangen, robotarmen of zelfs motoren, bestaan ??al op nanoschaal. Een ander essentieel onderdeel van elke machine is het tandwiel, dat veranderingen in richting en snelheid mogelijk maakt en bewegingen met elkaar verbindt. Er bestaan ??ook moleculaire tegenhangers voor tandwielen, maar tot nu toe bewogen ze alleen passief heen en weer.
Het moleculaire tandwiel dat is ontwikkeld door het onderzoeksteam onder leiding van Henry Dube meet slechts 1,6 nm - en is daarmee de kleinste in zijn soort. Maar dat is niet alles. Het onderzoeksteam is erin geslaagd een moleculair tandwiel en zijn tegenhanger actief aan te drijven en heeft daarmee een fundamenteel probleem opgelost bij de constructie van machines op nanoschaal.

De tandwielkast bestaat uit twee componenten die in elkaar grijpen en uit slechts 71 atomen bestaan. Een component is een triptyceenmolecuul waarvan de structuur lijkt op een propeller of een emmerwiel (in de afbeelding in lichtgrijs weergegeven). Het tweede onderdeel is een plat fragment van een thioindigo-molecuul, vergelijkbaar met een plaatje (in de afbeelding in goud weergegeven). Als de plaat 180 graden draait, draait de propeller 120 graden. Het resultaat is een 2:3 overbrengingsverhouding.

De nano-tandwielkast wordt aangestuurd door licht, waardoor het een moleculaire foto-uitrusting is. Omdat ze direct worden aangedreven door de lichtenergie, bewegen de plaat en de triptycene propeller in een vergrendelde synchrone rotatie. Warmte alleen was niet voldoende om de tandwielkast te laten draaien, ontdekte het team. Toen de onderzoekers de oplossing rond de tandwielkast in het donker verwarmden, draaide de propeller, maar de plaat niet - het tandwiel 'slipte'. Zo kwamen ze tot de conclusie dat de nano-reductor geactiveerd en bestuurd kan worden met behulp van een lichtbron.