為納米機器裝上齒輪:科研人員發明傳遞旋轉力的分子級傳動系統

日本奈良科學技術研究所的研究人員與法國保羅-薩巴蒂埃大學的研究團隊合作,正在推進用於傳遞旋轉力的分子尺度齒輪傳動系統科學。幾個世紀以來,齒輪傳動系統一直被用來將齒輪轉速的變化轉化為旋轉力的變化。汽車、鑽頭以及基本上任何有旋轉部件的東西都使用它們。分子尺度的齒輪是一個更尖端的發明,它可以利用光或化學刺激來啟動肉眼看不見的機械齒輪旋轉。

為納米機器裝上齒輪:科研人員發明傳遞旋轉力的分子級傳動系統

日本奈良科學技術研究所(NAIST)的研究人員與法國Paul Sabatier大學的研究團隊合作,在《化學科學》雜志上發表的一項新研究中報告了一種可視化超小型齒輪組(一種相互連接的齒輪鏈)工作快照的方法。

NAIST項目負責人Gwénaël Rapenne教授致力於製造分子尺度的機械裝置,如車輪和電機。研究人員最近設計了一個分子齒輪系的齒輪輪,但目前還沒有辦法將齒輪的運行情況可視化。

“監測分子齒輪運動的最直接方法是通過靜態掃描隧道顯微鏡圖像。為了達到這些目的,這種齒輪的其中一個齒必須在立體或電化學上與其他齒不同,”Rapenne解釋說。

為納米機器裝上齒輪:科研人員發明傳遞旋轉力的分子級傳動系統

研究人員首先創造了一個由五個槳葉組成的分子齒輪,其中一個槳葉比其他四個槳葉長幾個碳原子。然而,正如他們去年所表明的那樣,槳葉長度的差異會破壞沿着齒輪系的協調運動。因此,槳葉電化學的差異是一種更有前途的設計方法,但在合成上更具挑戰性。

“我們利用計算研究來預測電子耗散單元或金屬化學是否可以定製槳葉的電子特性,而不改變槳葉尺寸,”Rapenne說。這種量身定製的特性非常重要,因為人們可以通過使用掃描隧道顯微鏡觀察到它們的對比度差異,從而促進靜態成像。

研究人員如何使用這些齒輪軸?想象一下,將一束高度聚焦的光照到其中一個齒輪上,或者施加化學刺激,以啟動旋轉。通過這樣做,人們可以像傳統的齒輪傳動系統一樣,以協調的方式旋轉一系列齒輪輪,但在分子尺度上,這包括設備的最終小型化。”我們現在有辦法將這種旋轉可視化,”Rapenne指出。

通過利用這一發展來進行單分子力學研究,Rapenne樂觀地認為,廣大研究界將擁有一個強大的集成納米級機器的新設計。”我們還沒有做到這一點,但正在合作以盡快實現它,”他說。

來源:cnBeta