Wetenschappers werken aan next-gen nanocars

Nanomechanica van Rice University en de Universiteit van Houston maken zich op om hun motoren te reviseren voor de tweede internationale Nanocar Race.

Hoewel ze wat langer moeten remmen dan verwacht, aangezien de race een jaar tot 2022 is gestoten, gaat het in Rice gevestigde team vooruit met nieuwe ontwerpen die zijn geïntroduceerd in de American Chemical Society’s Journal of Organic Chemistry.

Het werk onder leiding van chemici James Tour of Rice en Anton Dubrovskiy van de University of Houston-Clear Lake upgradet de auto’s met wielen van tert-butyl die hen zouden moeten helpen navigeren over de baan die is aangelegd op een oppervlak van goud, met pylonen die uit een paar bestaan. goed geplaatste atomen.

Net als hun winnende inzending in de eerste internationale Nanocar Race van 2017, hebben deze nanocars permanente dipoolmomenten om hun snelheid en bestuurbaarheid op het oppervlak te vergroten.

“De permanente dipolen maken de auto’s gevoeliger voor beïnvloeding door elektrische veldgradiënten, die worden gebruikt om ze voort te stuwen en te manoeuvreren”, aldus Tour. “Het is een functie die we voor de eerste wedstrijd hebben geïntroduceerd, en ik weet zeker dat veel van de inzendingen dit geavanceerde ontwerpelement nu in hun nanocars zullen hebben ingebouwd.”

De modellen van dit jaar zijn ook lichter, iets meer dan de minimum 100 atomen die vereist zijn door nieuwe regelgeving. “De auto die we in de eerste race gebruikten, had slechts 50 atomen”, zei Tour. “Dit is dus een substantiële toename van het molecuulgewicht, zoals vereist door de bijgewerkte normen.” Het is waarschijnlijk dat de raceorganisatoren ons wilden vertragen sinds de laatste keer, toen we de race van 30 uur in slechts 1,5 uur voltooiden, “hij zei.

Om de auto’s voorbij 100 atomen te brengen terwijl ze hun syntheses stroomlijnden, gebruikten de onderzoekers een modulair proces om vijf nieuwe auto’s te maken met ofwel allemaal tert-butyl, alle adamantyl wielen (zoals in eerdere nanocars) of combinaties van beide.

Met 90 atomen waren auto’s met alleen butylwielen, die de interactie met de baan minimaliseren, en een korter chassis te klein. Door wielcombinaties te gebruiken, maakte het Rice-lab nanocars met 114 atomen. “Hierdoor wordt het gewicht tot een minimum beperkt en toch aan de race-eisen voldaan”, aldus Tour.

De nanocars zullen opnieuw worden bestuurd door een team van de Universiteit van Graz in Oostenrijk onder leiding van professor Leonhard Grill. Het team bracht het Rice-voertuig in 2017 over de finish en heeft een enorme expertise in het scannen van tunneling-microscoopgestuurde manipulaties, zei Tour. De groepen Grill en Tour ontmoeten elkaar opnieuw in Frankrijk voor de race.

Het overkoepelende doel van de wedstrijd is het bevorderen van de ontwikkeling van nanomachines die echt kunnen werken, zoals het vervoeren van vracht op moleculaire schaal en het vergemakkelijken van nanofabricage.

“Deze race verlegt de grenzen van het ontwerpen van moleculaire nanocarbonnen en methoden om ze te beheersen”, zei Tour. “Dus door dit competitieve proces wordt de wereldwijde expertise verhoogd en wordt het hele veld van nanomanipulatie aangemoedigd om des te sneller vooruitgang te boeken.”

De race, die oorspronkelijk gepland stond voor volgende zomer, is vertraagd door de pandemie. De racers zullen nog steeds in Frankrijk moeten verzamelen om onder toezicht van de juryleden te staan, maar alle teams zullen hun auto’s via internet besturen op circuits onder scantunnelmicroscopen in hun thuislaboratoria.

“Dus de coureurs zullen samen zijn en de auto’s en tracks zullen over de hele wereld worden verspreid”, zei Tour. “Maar de afstand van elk spoor zal identiek zijn, tot op enkele nanometers.”

De Rice-Graz-inzending won de race van 2017 met een asterisk, omdat de auto zo snel over het gouden oppervlak bewoog dat het onmogelijk was om foto’s te maken om te beoordelen. Het team mocht toen racen op een zilveren ondergrond die voldoende weerstand bood en voltooide het parcours van 150 nanometer in 90 minuten.

“De koers zou maar 100 nanometer zijn geweest, maar het team kreeg een straf van 50 nanometer extra,” zei Tour. “Uiteindelijk was het sowieso geen barrière.” De eerste prijs op de gouden baan ging naar een Zwitsers team dat in zes en een half uur een parcours van 100 nanometer aflegde.

Het laboratorium van Tour bouwde in 2005 ’s werelds eerste auto met één molecuul en heeft sindsdien vele iteraties ondergaan, met de gerelateerde ontwikkeling van moleculaire motoren die door cellen boren om medicijnen af ​​te leveren.

Alexis van Venrooy, afgestudeerd aan Rice, is hoofdauteur van de paper. Co-auteurs zijn Rice-alumnus Victor García-López en undergraduate John Tianci Li. Dubrovskiy is een assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Houston-Clear Lake en een academische bezoeker aan Rice. Tour is de TT- en WF Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nanoengineering bij Rice.