Автор AZoNano 18 мая 2021 г.

Зубчатые и механические трансмиссии в регионе Эмилия-Романья, в Моторной долине на севере Италии, прекрасно себя чувствуют.

Группа исследователей из Болонского университета и Института органического синтеза и фотореактивности Национального исследовательского совета (Cnr-Isof) в Болонье под руководством Массимо Барончини и Альберто Креди спроектировала, построила и эксплуатировала NanoGear, устройство, состоящее из взаимосвязанных молекулярных компонентов и предназначенное для работы в качестве механизма. Поскольку молекулы представляют собой нанометрические объекты (1 нанометр = 1 миллионная миллиметра), это чрезвычайно маленькое устройство: безусловно, самая крошечная передача, когда-либо производившаяся в итальянской стране двигателей.

«Передача и преобразование нанометрических движений в биологических молекулах являются основой основных функций живых организмов. Тем не менее, эти явления плохо изучены в искусственных молекулах, поскольку их чрезвычайно трудно идентифицировать и наблюдать. «Молекулярных устройств, таких как NanoGear, – это первый шаг к разработке сверхминиатюрных механических устройств на основе молекулярных двигателей с потенциальными прорывными приложениями в различных областях техники и медицины», говорит Альберто Креди.

Устройство

Молекула NanoGear относится к классу ротаксанов и состоит из трех компонентов: кольца, которое может скользить по оси, в центре которой установлен ротор.

«Кольцо может свободно перемещаться по оси по всей своей длине, но оно не может вырваться, потому что две громоздкие группы (стопоры), расположенные на концах оси, предотвращают его соскальзывание. Ротор может свободно двигаться. вращается вокруг своей оси и имеет два разных «лезвия» для облегчения наблюдения за движением », объясняет Массимо Барончини. «Главный элемент конструкции NanoGear заключается в том, что ротор напрямую связан с осью регулярной химической (ковалентной) связью, тогда как кольцо механически блокируется вокруг оси благодаря наличию стопоров. поступательное движение кольца и вращение ротора являются случайными колебаниями, определяемыми тепловой энергией молекулы; другими словами, шестерня не связана с каким-либо двигателем и функционирует «в нейтральном положении». Для наблюдения использовались сложные методы ядерного магнитного резонанса. движения и измерить их темпы ».

При температуре 65 ° C кольцо перемещается от одного конца оси к другому примерно 7 раз в минуту, проходя через ротор; за то же время последний совершает около 260 оборотов. Следовательно, два движения не синхронизированы; однако они взаимно влияют друг на друга, как показали эксперименты, проведенные на молекулах, подобных NanoGear, но лишенных ротора или кольца.

Другой значительный и неожиданный результат – влияние среды, в которой диспергирована молекула: при изменении растворителя одно из двух движений замедляется, а другое ускоряется. Такая «специфическая смазка» не находит соответствия в макроскопическом мире и составляет одно из нетрадиционных свойств наноустройств, которые могут привести к радикальным технологическим инновациям.

Проект

Искусственные молекулярные машины, удостоенные Нобелевской премии по химии в 2016 году, преобразуют энергию источника в контролируемые наноразмерные движения и являются одним из самых ярких результатов нанотехнологий. Однако для того, чтобы использовать эти движения, необходимы пассивные элементы, способные их обрабатывать и передавать другим компонентам, как это происходит в макроскопических устройствах. В этом исследовании химики действуют так же, как инженеры и архитекторы, но манипулируют объектами в миллиард раз меньше, поскольку их строительными блоками являются атомы и молекулы.

NanoGear является результатом проекта, зародившегося около пяти лет назад, и является частью исследовательской деятельности, в рамках которой Центр светоактивированных наноструктур (Клан), совместная лаборатория Болонского университета и Итальянского национального исследовательского совета, является международная точка отсчета.

NanoGear был создан при поддержке расширенного гранта Европейского исследовательского совета (ERC), самого престижного и конкурентоспособного гранта для научных исследований в Европе. В прошлом эта же лаборатория уже привлекала внимание общественности разработкой насосов на молекулярной основе (Nature Nanotechnology, 2015) и губок (Nature Chemistry, 2015), работающих от света. Центральная роль проведенных в Болонье исследований молекулярных машин была признана во время мероприятия «MolecularMachinesDays», проведенного в Болонье в ноябре 2018 г. с участием трех лауреатов Нобелевской премии по химии 2016 г.

Результаты

Создание искусственных устройств, состоящих из молекул, представляет большой интерес для развития нанотехнологий. «Как показали результаты, полученные в последние годы в лабораториях по всему миру, нанотехнологии могут предоставить нам более легкие и прочные материалы, меньшие и более мощные компьютеры и роботов, лучшие системы для преобразования и хранения энергии, новые методы медицинской диагностики и лечения. «– говорит Альберто Креди. «NanoGear – это небольшой, но важный шаг в этом направлении. Хотя в настоящее время трудно определить конкретное использование NanoGear, фундаментальные исследования, которые привели к его разработке, имеют революционный потенциал для науки и техники, который выходит далеко за рамки короткого». срок практического применения ».

Исследование

Исследование было опубликовано в журнале Chem под названием «Стереодинамика E / Z-изомеризации в ротаксанах посредством механического челночного перемещения и вращения ковалентных связей». Исследование проводилось в Центре светоактивированных наноструктур (Клан) под руководством профессоров университета Альберто Креди (кафедра промышленной химии «Тосо Монтанари») и Массимо Барончини (кафедра сельскохозяйственных и пищевых наук и технологий). Стефано Корра (Департамент промышленной химии «Тосо Монтанари»), Кристиан де Вет (Департамент сельскохозяйственных и пищевых наук и технологий) и Серена Сильви (Департамент химии «Джакомо Чамикиан») также внесли свой вклад в работу.

Источник: https://www.unibo.it/en/homepage