Ontwikkeling van ’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. Nu wordt op nanoschaal onderzoek gedaan naar schakelaars, rotors of motoren die uit slechts enkele atomen bestaan ​​om zo zogenaamde moleculaire machines te bouwen. Een onderzoeksteam van de FAU heeft met succes het kleinste door energie aangedreven tandwiel ter wereld gebouwd met een overeenkomstige tegenhanger. De nano-reductor is de eerste die ook actief kan worden aangestuurd en aangedreven. De bevindingen van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie.

Miniaturisatie speelt een sleutelrol bij de verdere ontwikkeling van moderne technologieën en maakt het mogelijk om kleinere apparaten te maken die meer vermogen hebben. Het speelt ook een belangrijke rol bij de productie, omdat het functionele materialen en medicatie mogelijk maakt met voorheen ongekende precisieniveaus. Nu is onderzoek de nanoschaal binnengegaan – die onzichtbaar is voor het blote oog – gericht op individuele atomen en moleculen. De betekenis van dit nieuwe onderzoeksgebied blijkt uit de Nobelprijs voor Scheikunde, die in 2016 werd toegekend voor onderzoek naar moleculaire machines.

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, wat niet erg handig is voor een moleculaire machine.

Het moleculaire tandwiel dat is ontwikkeld door het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Henry Dube, voorzitter van Organische Chemie I bij FAU en voorheen hoofd van een junior onderzoeksgroep bij LMU in München, meet slechts 1,6 nm. 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 vergelijkbaar is met een propeller of een emmerwiel. De tweede component is een plat fragment van een thioindigo-molecuul, vergelijkbaar met een klein plaatje. Als de plaat 180 graden draait, draait de propeller slechts 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 FAU-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 de onderzoekers tot de conclusie dat de nano-reductor geactiveerd en bestuurd kan worden met behulp van een lichtbron.