Les scientifiques de l'Université Rice ont créé la lumière, submersibles à molécule unique qui ne contiennent que 244 atomes. Crédit :Loïc Samuel
Bien qu'ils ne soient pas tout à fait prêts à embarquer à bord d'un "voyage fantastique, " Les sous-marins nanométriques créés à l'Université Rice font leurs preuves en état de navigabilité.
Chacune de la molécule unique, Les submersibles à 244 atomes construits dans le laboratoire Rice du chimiste James Tour ont un moteur alimenté par la lumière ultraviolette. A chaque tour complet, l'hélice en forme de queue du moteur fait avancer le sous-marin de 18 nanomètres.
Et avec les moteurs tournant à plus d'un million de tr/min, qui se traduit en vitesse. Bien que la vitesse maximale du sous-marin soit inférieure à 1 pouce par seconde, Tour a dit que c'est un rythme effréné à l'échelle moléculaire.
"Ce sont les molécules les plus rapides jamais vues en solution, " il a dit.
Exprimé autrement, les chercheurs ont rapporté ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano que leurs nanosubmersibles alimentés par la lumière montrent une « amélioration de la diffusion » de 26 %. Cela signifie que les sous-marins diffusent, ou étalé, beaucoup plus vite qu'ils ne le font déjà en raison du mouvement brownien, la manière aléatoire dont les particules se répandent dans une solution.
Bien qu'ils ne puissent pas encore être dirigés, l'étude prouve que les moteurs moléculaires sont suffisamment puissants pour entraîner les sous-marins inférieurs à 10 nanomètres à travers des solutions de molécules en mouvement d'environ la même taille.
« Cela ressemble à une personne marchant sur un terrain de basket avec 1, 000 personnes lui lançant des ballons de basket, ", a déclaré la tournée.
L'étudiant diplômé de Rice, Victor García-López, tient un flacon contenant des millions de nanosubmersibles à molécule unique. Crédit :Jeff Fitlow
Le groupe de Tour a une vaste expérience des machines moléculaires. Il y a une décennie, son laboratoire a fait découvrir au monde les nanocars, voitures monomoléculaires à quatre roues, des essieux et des suspensions indépendantes qui pourraient être « conduits » sur une surface.
Tour a déclaré que de nombreux scientifiques ont créé des machines microscopiques avec des moteurs au fil des ans, mais la plupart ont utilisé ou généré des produits chimiques toxiques. Il a déclaré qu'un moteur conçu au cours de la dernière décennie par un groupe aux Pays-Bas s'est avéré adapté aux submersibles de Rice, qui ont été produits dans une synthèse chimique en 20 étapes.
"Ces moteurs sont bien connus et utilisés pour différentes choses, ", a déclaré l'auteur principal et étudiant diplômé de Rice, Victor García-López. "Mais nous avons été les premiers à proposer qu'ils puissent être utilisés pour propulser des nanocars et maintenant des submersibles."
Les moteurs, qui fonctionnent plus comme le flagelle d'une bactérie que comme une hélice, terminer chaque révolution en quatre étapes. Lorsqu'il est excité par la lumière, la double liaison qui maintient le rotor au corps devient une simple liaison, lui permettant de tourner d'un quart de pas. Comme le moteur cherche à revenir à un état énergétique inférieur, il saute les atomes adjacents pour un autre quart de tour. Le processus se répète tant que le voyant est allumé.
Pour les tests de comparaison, le laboratoire a également fabriqué des submersibles sans moteur, moteurs lents et moteurs qui vont et viennent. Toutes les versions des submersibles ont des pontons qui émettent une fluorescence rouge lorsqu'ils sont excités par un laser, selon les chercheurs. (Jaune, Malheureusement, n'était pas une option.)
"L'un des défis était d'armer les moteurs avec les fluorophores appropriés pour le suivi sans altérer la rotation rapide, " a déclaré García-López.
Un schéma chimique montre la conception de nanosubmersibles à molécule unique créés à l'Université Rice. Les pontons fluorescents du sous-marin sont bleus; le moteur est rouge. Crédit :Victor García-López
Une fois construit, l'équipe s'est tournée vers Gufeng Wang à l'Université d'État de Caroline du Nord pour mesurer à quel point les nanosubs se déplaçaient.
"Nous avions utilisé la microscopie à effet tunnel et la microscopie à fluorescence pour regarder nos voitures rouler, mais cela ne fonctionnerait pas pour les submersibles, ", a déclaré Tour. "Ils dériveraient assez rapidement de la mise au point."
L'équipe de Caroline du Nord a pris en sandwich une goutte d'acétonitrile liquide dilué contenant quelques nanosubs entre deux lames et a utilisé un microscope à fluorescence confocal personnalisé pour la frapper des côtés opposés avec à la fois de la lumière ultraviolette (pour le moteur) et un laser rouge (pour les pontons).
Le laser du microscope a défini une colonne de lumière dans la solution dans laquelle le suivi s'est produit, dit García-López. "De cette façon, l'équipe NC State pouvait garantir qu'elle n'analysait qu'une molécule à la fois, " il a dit.
Rice's researchers hope future nanosubs will be able to carry cargoes for medical and other purposes. "There's a path forward, " García-López said. "This is the first step, and we've proven the concept. Now we need to explore opportunities and potential applications."
