来自博洛尼亚大学和位于博洛尼亚的国家研究委员会(Cnr-Isof)的有机合成和光反应研究所的研究人员,由Massimo Baroncini和Alberto Credi领导,计划、建造和操作了NanoGear,一种由互锁的分子组成的装置,设计成一个齿轮(“Stereodynamics of E/Z isomerization in rotaxanes through mechanical shuttling and covalent bond rotation”)。由于分子是纳米级的物体,所以它是一个非常小的装置,这是意大利马达王国有史以来生产的最小的齿轮。


生物分子中纳米运动的传递和转化是生物体主要功能的基础。然而,这些现象在人工分子中很难理解,因为它们极其难以识别和观察。像NanoGear这样的分子设备的构建是朝着基于分子马达的超微型化机械设备的发展迈出的第一步,在技术和医学的各个领域都有潜在的突破性应用,Alberto Credi说。

超小型机械设备开发的第一步!NanoGear朝着分子齿轮方向发展

纳米齿轮分子属于轮烷类,由三个部分组成:一个可以沿着轴滑动的环,轴的中心装有一个转子。在65°C时,环从轴的一端到另一端大约每分钟穿梭7次,通过转子;在相同的时间内,后者完成了大约260次旋转。(图片:光活化纳米结构中心/博洛尼亚大学)


该设备


纳米齿轮分子属于轮烷类,由三个部分组成:一个可以沿着轴滑动的环,轴的中心装有一个转子。


环可以自由地沿轴摆动,但它无法逃脱,因为位于轴末端的两个笨重的组(止动器)防止它滑脱。转子可以绕自己的轴自由旋转,有两个不同的“叶片”,便于观察运动。纳米齿轮的主要设计元素在于,转子通过常规的化学(共价)键直接连接到轴上,而环通过塞子的存在机械地锁定在轴上。环的平移和转子的转动都是由分子的热能决定的随机振动;换句话说,齿轮不耦合到任何电机和功能空挡。先进的核磁共振技术被用来观察它们的运动和测量它们的速率。


在65°C时,环从轴的一端到另一端大约每分钟穿梭7次,通过转子;在相同的时间内,后者完成了大约260个旋转。因此这两个运动是不同步的;然而,它们是相互影响的,在类似于NanoGear的分子上进行的实验证明了这一点,但没有转子或环。

超小型机械设备开发的第一步!NanoGear朝着分子齿轮方向发展

另一个重要的和意想不到的结果是分子被分散的介质的影响:通过改变溶剂,两个运动中的一个减慢,而另一个加快。这种“特殊润滑”在宏观世界中找不到对应的东西,它构成了纳米器件的一种非常规特性,可能会导致根本性的技术创新。


这个项目


人工分子机器获得了2016年的诺贝尔化学奖,它将能源转化为可控的纳米尺度运动,是纳米技术最引人注目的成果之一。然而,为了利用这些运动,就需要有能够处理它们并将它们传送到其他部件的被动元件,就像在宏观装置中发生的那样。在这项研究中,化学家的工作方式与工程师和建筑师相同,但他们操作的物体要小十亿倍,因为它们的组成部分是原子和分子。


NanoGear是大约五年前诞生的一个项目的结果,是光活化纳米结构中心(Clan)的研究活动的一部分,该中心是博洛尼亚大学和意大利国家研究委员会的一个联合实验室,是一个国际参考点。


结果


实现由分子组成的人工器件对纳米技术的发展具有重要意义。


Alberto Credi说,正如近年来世界各地实验室取得的成果所显示的那样,纳米技术可以为我们提供更轻、更强的材料、更小、更强大的计算机和机器人、更好的能源转换和存储系统,以及医疗诊断和治疗的新方法。NanoGear是在这个方向上迈出的一小步,但意义重大。虽然目前很难确定NanoGear的具体用途,但导致其发展的基础研究对科学和技术具有革命性的潜力,远远超出短期的实际应用。


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