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科学家用光驱动了单分子三轮纳米跑车

2016-11-11 09:32
天堂的苦涩
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  莱斯大学和奥地利格拉茨大学的科学家用光来驱动了单分子三轮纳米跑车,并且首次看到了它们是如何移动的。

  纳米小车的发明者和化学家James Tour的实验室在六年前合成了光驱动的纳米小车,但在奥地利实验物理学家的帮助下,他们现在能够同时驱动一个单分子车的车队了。

  图中的扫描隧道显微镜图像显示了两个在莱斯大学制造并在格拉茨大学测试的三轮纳米跑车。紧挨着分子模型的这个光活化跑车,达到了每小时23纳米的最高速度。

  关于这项工作的一份研究报告发表在了美国化学学会的期刊《ACS Nano》上。

  “看到机动化的纳米跑车可以通过光激活的马达来推动,还是挺让人兴奋的,”Tour说,他在2005年提出了纳米小车的概念,并在一年之后实现了机动化。“这些三轮车是观察到的第一批用任何方法来推动其跨越表面的光驱动纳米车,更不要说使用的是扫描隧道显微镜了。”

  在即将在法国图卢兹举行的国际纳米车大赛上,与其他人用化学或隧道显微镜的尖端来驱动车辆不同,莱斯大学的研究人员利用特定波长的光来使他们的纳米跑车沿着铜表面移动。这些车具有后轮分子发动机,其在被光击中的时候会沿着一个方向旋转。这种旋转就像螺旋桨在水里一样推动车辆前进。

  这个由Tour和Leonhard Grill——曾任职于柏林的弗里茨-哈伯研究所的格拉茨大学的教授——领导的团队,使用了由荷兰科学家Bernard Feringa发明的波长敏感的改良版马达,他也因为在分子机器上的研究分享了今年的诺贝尔化学奖。

  远程控制对于这些车辆的有用性来说至关重要。“如果我们必须用‘线'——例如电子束——将车辆与电源连接起来,那么我们将失去很多的汽车功能,”Tour说。“用光来给它们提供能量,可以使它们开到任何一个光能照到的地方——最终我们希望它们能运载货物。”

  另一个优势是可以一次驱动一个纳米小汽车车队的能力。“这正是我们寻求的——用光来激活电机和使纳米车群越过表面,通过电场梯度使其具有方向性,”Tour说。“这将使得我们能够畅想这样一个像蚂蚁一样使用纳米机器的场景,让它们来共同完成建设工作。”

  Grill说,通过光来远程控制车辆,使我们不再需要需要逐个与分子对应起来的局域化的探针。“此外,不再需要会污染表面和改变扩散特性的‘燃料’分子”他说。

  Tour使用了改良版的Feringa马达来为他实验室的纳米潜水泵提供动力。在这个例子中,该马达是后轮。据Grill说,三轮的结构简化了它的使用,因为较大的纳米小车更难放置在设想的表面上,其在真空状态下沉积的过程中常常会游离出来。

  由第一作者,Grill组里的Alex Saywell在莱斯大学制作的纳米跑车上进行的实验证明,为了在真空中得到“增强扩散”,需要光照和温度上的良好的平衡。

  Grill说用光驱动纳米机器提供了一个基本的优势——由于电机的波长敏感性从而使得我们能够选择性地诱导运动。266纳米的紫外线相比于不用马达控制跑车分子增加了一倍的跑车运动。而在355纳米下,则会增加两倍。

  这种由112个原子组成的光活化跑车,达到了每小时23纳米的最高速度。

  绝对温度161开尔文(华氏零下170度)的表面活化温度被证明是最好的驱动条件。如果温度过冷,该跑车将会粘在表面上;如果太热的话,它们即使没有马达的帮助也会随机地扩散。

  “我们惊讶于电机的存在与运动的增强之间清晰的相关性,需要光和热来激活此运动——与Feringa电机的概念完全一致——而解决方案中的波长敏感性在光谱学上很好地满足了我们的预期,”Grill说。

 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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