Nu op moleculaire schaal: Elektromotoren

Elektrische voertuigen, aangedreven door macroscopische elektromotoren, komen steeds vaker voor in onze straten en snelwegen. Deze stille en milieuvriendelijke machines begonnen bijna 200 jaar geleden toen natuurkundigen de eerste kleine stappen zetten om elektromotoren op de wereld te brengen.

Nu heeft een multidisciplinair team onder leiding van Northwestern University een elektromotor gemaakt die je met het blote oog niet kunt zien: een elektromotor op moleculaire schaal.

Dit vroege werk – een motor die elektrische energie kan omzetten in unidirectionele beweging op moleculair niveau – heeft implicaties voor de materiaalkunde en in het bijzonder de geneeskunde, waar de elektrische moleculaire motor zou kunnen samenwerken met biomoleculaire motoren in het menselijk lichaam.

“We hebben moleculaire nanotechnologie naar een ander niveau getild”, zei Sir Fraser Stoddart van Northwestern, die in 2016 de Nobelprijs voor scheikunde ontving voor zijn werk in het ontwerp en de synthese van moleculaire machines. “Deze elegante chemie gebruikt elektronen om een ​​moleculaire motor effectief aan te drijven, net zoals een macroscopische motor. Hoewel dit gebied van de chemie nog in de kinderschoenen staat, voorspel ik dat deze kleine motoren op een dag een enorm verschil zullen maken in de geneeskunde.”

Stoddart, Board of Trustees Professor of Chemistry aan het Weinberg College of Arts and Sciences, is een co-corresponderende auteur van de studie. Het onderzoek werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met Dean Astumian, een moleculaire machine-theoreticus en professor aan de Universiteit van Maine, en William Goddard, een computationele chemicus en professor aan het California Institute of Technology. Long Zhang, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Stoddart, is de eerste auteur van het artikel en een co-corresponderende auteur.

Slechts 2 nanometer breed, de moleculaire motor is de eerste die massaal in overvloed wordt geproduceerd. De motor is eenvoudig te maken, werkt snel en produceert geen afvalproducten.

De studie en een bijbehorende nieuwsbrief werden vandaag (11 januari) gepubliceerd door het tijdschrift Natuur.

Het onderzoeksteam concentreerde zich op een bepaald type molecuul met in elkaar grijpende ringen, bekend als catenanes, bij elkaar gehouden door krachtige mechanische bindingen, zodat de componenten vrij ten opzichte van elkaar konden bewegen zonder uit elkaar te vallen. (Tientallen jaren geleden speelde Stoddart een sleutelrol bij het ontstaan ​​van de mechanische binding, een nieuw type chemische binding dat heeft geleid tot de ontwikkeling van moleculaire machines.)

De elektrische moleculaire motor is specifiek gebaseerd op een [3]catenane waarvan de componenten – een lus die is verbonden met twee identieke ringen – redox-actief zijn, dwz ze ondergaan beweging in één richting als reactie op veranderingen in spanningspotentiaal. De onderzoekers ontdekten dat er twee ringen nodig zijn om deze unidirectionele beweging te bewerkstelligen. Experimenten toonden aan dat a [2]catenane, waarvan één lus is verbonden met één ring, werkt niet als een motor.

De synthese en werking van moleculen die de functie vervullen van een motor – het omzetten van externe energie in directionele beweging – stelt wetenschappers op het gebied van scheikunde, natuurkunde en moleculaire nanotechnologie al geruime tijd voor uitdagingen.

Om hun doorbraak te bereiken, besteedden Stoddart, Zhang en hun Northwestern-team meer dan vier jaar aan het ontwerp en de synthese van hun elektrische moleculaire motor. Dit omvatte een jaar werken met UMaine’s Astumian en Caltech’s Goddard om de kwantummechanische berekeningen te voltooien om het werkingsmechanisme achter de motor uit te leggen.

“Het beheersen van de relatieve beweging van componenten op moleculaire schaal is een formidabele uitdaging, dus samenwerking was cruciaal”, zei Zhang. “Door samen te werken met experts op het gebied van synthese, metingen, computationele chemie en theorie konden we een elektrische moleculaire motor ontwikkelen die in oplossing werkt.”

Er zijn enkele voorbeelden van elektromotoren met één molecuul beschreven, maar deze vereisen zware bedrijfsomstandigheden, zoals het gebruik van een ultrahoog vacuüm, en produceren ook afval.

De volgende stappen voor hun elektrische moleculaire motor, aldus de onderzoekers, is om veel van de motoren aan een elektrode-oppervlak te bevestigen om het oppervlak te beïnvloeden en uiteindelijk nuttig werk te doen.

“De prestatie die we vandaag rapporteren, is een bewijs van de creativiteit en productiviteit van onze jonge wetenschappers, evenals hun bereidheid om risico’s te nemen”, zei Stoddart. “Dit werk geeft mij en het team enorm veel voldoening.”