Предоставлено: Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг.

Все меньше и сложнее — без миниатюризации сегодня у нас не было бы компонентов, необходимых для высокопроизводительных ноутбуков, компактных смартфонов или эндоскопов с высоким разрешением. В настоящее время в наномасштабе проводятся исследования переключателей, роторов или двигателей, состоящих всего из нескольких атомов, для создания так называемых молекулярных машин. Исследовательская группа из FAU успешно построила самое маленькое в мире зубчатое колесо с приводом от энергии с соответствующим аналогом. Наноредуктор является первым, которым также можно активно управлять и управлять им. Выводы исследователей недавно были опубликованы в журнале Nature Chemistry .

Миниатюризация играет ключевую роль в дальнейшем развитии современных технологий и позволяет производить устройства меньшего размера, обладающие большей мощностью. Он также играет важную роль в производстве, поскольку позволяет производить функциональные материалы и лекарства с беспрецедентной точностью. Теперь исследования перешли в наномасштаб, невидимый невооруженным глазом, и сосредоточились на отдельных атомах и молекулах. Значение этой новой области исследований демонстрирует Нобелевская премия по химии, присужденная за исследования молекулярных машин в 2016 году.

Некоторые важные компоненты, используемые в молекулярных машинах , такие как переключатели, роторы, щипцы, манипуляторы роботов или даже двигатели, уже существуют в наномасштабе. Еще одним важным компонентом любой машины является зубчатое колесо , которое позволяет изменять направление и скорость и позволяет связывать движения друг с другом. Молекулярные аналоги также существуют для зубчатых колес, однако до сих пор они только пассивно двигались вперед и назад, что не очень полезно для молекулярной машины.

Молекулярное зубчатое колесо, разработанное исследовательской группой под руководством профессора доктора Генри Дубе, заведующего кафедрой органической химии I в FAU и ранее возглавлявшего младшую исследовательскую группу в LMU в Мюнхене, имеет размер всего 1,6 нм. Исследовательской группе удалось активно привести в действие молекулярное зубчатое колесо и его аналог и, таким образом, решить фундаментальную проблему конструирования машин на наноуровне.

Редуктор состоит из двух взаимосвязанных друг с другом компонентов, состоящих всего из 71 атома. Одним из компонентов является молекула триптицена, структура которой подобна пропеллеру или лопастному колесу. Второй компонент представляет собой плоский фрагмент молекулы тиоиндиго, похожий на маленькую пластинку. Если пластина поворачивается на 180 градусов, то пропеллер поворачивается только на 120 градусов. В результате передаточное отношение 2:3.

Наноредуктор управляется светом, что делает его молекулярным фоторедуктором. Так как они напрямую приводятся в действие световой энергией , пластина и триптиценовый пропеллер движутся в заблокированном синхронном вращении. Одного тепла было недостаточно, чтобы заставить редуктор вращаться, как обнаружила команда FAU. Когда исследователи нагрели раствор вокруг редуктора в темноте, пропеллер провернулся, а пластина — нет — шестерня «проскочила». Таким образом, исследователи пришли к выводу, что наноредуктор можно активировать и управлять им с помощью источника света.