Jetzt im molekularen Maßstab: Elektromotoren

Elektrofahrzeuge, die von makroskopischen Elektromotoren angetrieben werden, sind auf unseren Straßen und Autobahnen immer häufiger anzutreffen. Diese leisen, umweltfreundlichen Maschinen entstanden vor fast 200 Jahren, als Physiker die ersten Schritte unternahmen, um Elektromotoren auf die Welt zu bringen.

Heute hat ein multidisziplinäres Team unter der Leitung der Northwestern University einen für das bloße Auge unsichtbaren Elektromotor entwickelt: a Elektromotor auf molekularer Ebene.

Dieser erste Job – eine Engine, die konvertieren kann elektrische Energie unidirektionale Bewegung Molekulare Ebene– hat Auswirkungen auf Materialwissenschaften und insbesondere Medizin, wo der elektrische molekulare Motor mit biomolekularen Motoren im menschlichen Körper zusammenarbeiten könnte.

„Wir haben die molekulare Nanotechnologie auf eine andere Ebene gebracht“, sagte Sir Fraser Stoddart von Northwestern, der 2016 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit zur Entwicklung und Synthese molekularer Maschinen erhielt. „Diese elegante Chemie verwendet Elektronen, um einen molekularen Motor effizient anzutreiben, ähnlich wie ein makroskopischer Motor. Während dieses Gebiet der Chemie noch in den Kinderschuhen steckt, sage ich voraus, dass diese winzigen Motoren eines Tages einen großen Unterschied in der Medizin machen werden.“

Stoddart, Professor für Chemie im Kuratorium des Weinberg College of Arts and Sciences, ist Mitautor der Studie. Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit mit Dean Astumian, einem Molekularmaschinentheoretiker und Professor an der University of Maine, und William Goddard, einem Computerchemiker und Professor am California Institute of Technology, durchgeführt. Long Zhang, ein Postdoktorand in Stoddarts Labor, ist der Erstautor der Arbeit und Co-korrespondierender Autor.

Der nur 2 Nanometer breite molekulare Motor ist der erste, der in Massenproduktion hergestellt wird. Der Motor ist einfach herzustellen, läuft schnell und produziert keinen Abfall.

Die Studie und ein entsprechender Kurzbericht wurden heute (11. Januar) von der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf eine bestimmte Art von Molekülen mit ineinandergreifenden Ringen namens Catenane, die durch starke mechanische Bindungen zusammengehalten werden, sodass sich die Komponenten frei aneinander vorbei bewegen können, ohne auseinanderzufallen. (Vor Jahrzehnten spielte Stoddart eine Schlüsselrolle bei der Schaffung der mechanischen Bindung, einer neuen Art chemischer Bindung, die zur Entwicklung molekularer Maschinen führte.)

Der molekulare Elektromotor basiert speziell auf a [3]Catenan, dessen Komponenten – eine ineinandergreifende Schleife mit zwei identischen Ringen – redoxaktiv sind, d. h. sie unterliegen einer unidirektionalen Bewegung als Reaktion auf Änderungen des Spannungspotentials. Die Forscher fanden heraus, dass zwei Ringe benötigt werden, um diese unidirektionale Bewegung zu erreichen. Experimente haben gezeigt, dass a [2]catenane, das eine mit einem Ring verschlossene Schleife hat, funktioniert nicht als Motor.

Die Synthese und der Betrieb von Molekülen, die die Funktion eines Motors erfüllen – die Umwandlung externer Energie in eine gerichtete Bewegung – stellt Wissenschaftler auf den Gebieten der Chemie, Physik und molekularen Nanotechnologie seit einiger Zeit vor eine Herausforderung.

Um ihren Durchbruch zu erreichen, verbrachten Stoddart, Zhang und ihr nordwestliches Team mehr als vier Jahre damit, ihren elektrischen Molekularmotor zu entwerfen und zu synthetisieren. Dies beinhaltete ein Jahr der Zusammenarbeit mit Astumian von UMaine und Goddard von Caltech, um quantenmechanische Berechnungen durchzuführen, um den Arbeitsmechanismus hinter dem Motor zu erklären.

„Die Kontrolle der relativen Bewegung von Komponenten auf molekularer Ebene ist eine gewaltige Herausforderung, daher war die Zusammenarbeit entscheidend“, sagte Zhang. “Die Zusammenarbeit mit Experten für Synthese, Messungen, Computerchemie und Theorie hat es uns ermöglicht, einen elektrischen Molekularmotor zu entwickeln, der in Lösung funktioniert.”

Einige Beispiele für einfache Moleküle Elektromotoren wurden berichtet, aber sie erfordern schwierige Betriebsbedingungen, wie die Verwendung eines Ultrahochvakuums, und erzeugen außerdem Abfall.

Die nächsten Schritte für ihren elektrischen Molekularmotor, sagten die Forscher, bestehen darin, viele Motoren an einer Elektrodenoberfläche anzubringen, um die Oberfläche zu beeinflussen und letztendlich nützliche Arbeit zu leisten.

“Die Leistung, über die wir heute berichten, ist ein Beweis für die Kreativität und Produktivität unserer jungen Wissenschaftler und ihre Bereitschaft, Risiken einzugehen”, sagte Stoddart. “Diese Arbeit bereitet mir und dem Team eine enorme Zufriedenheit.”