Une image au microscope à effet tunnel montre deux nanoroadsters à trois roues créés à l'Université Rice et testés à l'Université de Graz. Les roadsters activés par la lumière, à côté de leurs modèles moléculaires, atteint une vitesse de pointe de 23 nanomètres par heure. Crédit :Alex Saywell/Leonhard Grill
Scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Graz, L'Autriche, conduisez à trois roues, "nanoroadsters" à molécule unique avec lumière et, pour la première fois, voir comment ils bougent.
Le laboratoire Rice de l'inventeur et chimiste de nanocars James Tour a synthétisé des nanocars à propulsion lumineuse il y a six ans, mais avec l'aide de physiciens expérimentateurs en Autriche, ils sont désormais capables de conduire simultanément des flottes de véhicules à molécule unique.
Un rapport sur les travaux paraît dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
« Il est passionnant de voir que les nanoroadsters motorisés peuvent être propulsés par leurs moteurs activés par la lumière, " dit Tour, qui a introduit les nanocars en 2005 et les a motorisées un an plus tard. "Ces trois-roues sont le premier exemple de nanovéhicules à énergie lumineuse observés se propulser sur une surface par n'importe quelle méthode, sans parler de la microscopie à effet tunnel."
Plutôt que de les conduire chimiquement ou avec la pointe d'un microscope à effet tunnel, comme ils le feront avec d'autres véhicules lors de la prochaine NanoCar Race internationale à Toulouse, La France, les chercheurs ont utilisé la lumière à des longueurs d'onde spécifiques pour déplacer leurs nanoroadsters le long d'une surface de cuivre. Les véhicules ont des moteurs moléculaires aux roues arrière qui tournent dans un sens lorsque la lumière les frappe. La rotation propulse le véhicule un peu comme une roue à aubes sur l'eau.
Les modèles informatiques montrent deux formes possibles de la molécule unique, nanoroadster à trois roues créé par des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Graz. Le véhicule fonctionne avec un moteur léger qui a valu à son inventeur un prix Nobel cette année. Crédit :Alex Saywell/Leonhard Grill
L'équipe dirigée par Tour et Leonhard Grill, professeur à l'Université de Graz et anciennement à l'Institut Fritz-Haber, Berlin, utilisé des moteurs modifiés sensibles à la longueur d'onde inventés par le scientifique néerlandais Bernard Feringa, qui a partagé le prix Nobel de chimie de cette année pour sa machine moléculaire.
La télécommande est la clé des capacités utiles des voitures. « Si nous devons « connecter » la voiture à une source d'alimentation, comme un faisceau d'électrons, nous perdrions beaucoup de fonctionnalités des voitures, ", a déclaré Tour. "Les alimenter avec de la lumière les libère pour être conduits partout où l'on peut faire briller une lumière - et nous espérons qu'ils finiront par transporter une cargaison."
Un autre avantage est la possibilité d'activer des flottes de nanocars à la fois. "C'est précisément ce que nous recherchons :utiliser une lumière pour activer des moteurs et avoir des essaims de nanovéhicules se déplaçant à la surface, rendu directionnel grâce à des gradients de champ électrique, ", a déclaré Tour. "Cela nous permettrait d'envisager l'avenir d'utiliser des nanomachines comme des fourmis qui travaillent collectivement pour effectuer la construction."
Le grill dit télécommandé par la lumière élimine le besoin d'une sonde locale qui aurait à adresser les molécules une à une. "En outre, aucune molécule « carburant » n'est requise qui contaminerait la surface et modifierait les propriétés de diffusion, " il a dit.
Tour a utilisé les moteurs modifiés de Feringa pour alimenter les nanosubmersibles de son laboratoire. Dans ce cas, le moteur est la roue arrière. Il a déclaré que la configuration à trois roues simplifie son utilisation car les plus grandes nanocars sont plus difficiles à mettre sur une surface d'imagerie et souvent dissociées lors du dépôt sous vide, selon Grill.
Le nanoroadster à trois roues synthétisé à l'Université Rice contient 112 atomes et comprend un moteur moléculaire qui a valu à son inventeur néerlandais un prix Nobel cette année. Crédit :Alex Saywell/Leonhard Grill
Les expériences de l'auteur principal Alex Saywell du groupe Grill sur les nanoroadsters fabriqués à Rice ont démontré la nécessité d'un équilibre fin entre la lumière et la température pour permettre une "diffusion améliorée" des molécules dans le vide.
Grill a déclaré que l'utilisation de la lumière pour piloter des nanomachines offre un avantage fondamental :la capacité d'induire sélectivement un mouvement en raison de la sensibilité des moteurs à la longueur d'onde. La lumière ultraviolette à 266 nanomètres a doublé le mouvement des roadsters par rapport aux molécules de roadster « contrôle » sans moteurs. A 355 nanomètres, ça a triplé.
Les roadsters, composé de 112 atomes, atteint une vitesse de pointe de 23 nanomètres par heure.
Une température d'activation de surface de 161 kelvins (moins 170 degrés Fahrenheit) s'est avérée la meilleure pour les conditions de conduite. Si la température est trop froide, les roadsters colleraient à la surface; trop chaud et ils diffuseraient au hasard sans l'aide du moteur.
"Nous avons été surpris par la corrélation très claire du mouvement amélioré avec la présence du moteur, le besoin à la fois de chaleur et de lumière pour activer ce mouvement - en parfait accord avec le concept du moteur Feringa - et la sensibilité en longueur d'onde qui correspond bien à nos attentes de la spectroscopie en solution, " dit Grill.
