Moc molekularnych silników, struktur złożonych z kilkudziesięciu cząsteczek, które w wyobrażeniach naukowców mogłyby w przyszłości napędzać miniaturowe nanomaszyny, może być mniejsza, niż oczekiwano. Nowatorskie pomiary, wykonane przez badaczy Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie nie napawają optymizmem.
Nanomaszyny uchodzą za urządzenia przyszłości. Zbudowane z bardzo małej liczby atomów, miałyby rozmiary zaledwie miliardowych części metra. Ich konstrukcja prawdopodobnie doprowadziłoby do kolejnej rewolucji cywilizacyjnej. Właśnie dlatego badacze na całym świecie od lat próbują zaprząc do pracy mechanicznej najrozmaitsze cząsteczki i sprawdzają, czy takie układy mogą okazać się wydajne.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie jako jedni z pierwszych dokonali pomiarów wydajności molekularnych maszyn złożonych z kilkudziesięciu atomów. Wszystko wskazuje na to, że moc silników składających się z pojedynczych, stosunkowo niewielkich cząsteczek jest znacznie mniejsza od oczekiwanej - mówi dr inż. Andrzej Żywociński z IChF PAN, jeden ze współautorów pracy opublikowanej w czasopiśmie "Nanoscale".
Molekularne silniki badane w IChF PAN to zbudowane z kilkudziesięciu atomów cząsteczki ciekłych kryształów. Po naniesieniu na powierzchnię wody, cząsteczki w odpowiednich warunkach samoczynnie formują na niej najcieńszą z możliwych pojedynczą warstwę o specyficznej budowie i cechach. Każda cząsteczka użytego ciekłego kryształu składa się z łańcucha, którego część hydrofilowa (przyciągająca wodę) kotwiczy się na powierzchni wody. Nad powierzchnię wystaje stosunkowo długa, pochylona, odpychająca wodę część hydrofobowa. Monomolekularna warstwa przypomina więc las, którego drzewa rosną pod pewnym kątem. Na swobodnym końcu każdego łańcucha są dwie poprzeczne, różniące się rozmiarami grupy atomów. Tworzą one odpowiednik dwupłatowego śmigła o płatach różnej długości. Gdy cząsteczki parującej wody uderzają w "śmigła", asymetria powoduje, że cały łańcuch zaczyna krążyć wokół swej "kotwicy".
Specyficzne cechy ciekłych kryształów i warunki doświadczenia powodują, że sąsiednie cząsteczki w monowarstwie zaczynają wirować zgodnie. Jak się ocenia zsynchronizować obroty potrafią grup cząsteczek tworzące warstwę nawet o rozmiarach milimetrowych. Co więcej, badane przez nas cząsteczki wirują bardzo wolno. Jeden obrót może trwać od kilku sekund do nawet kilku minut. To bardzo pożądana cecha. Gdyby cząsteczki obracały się z częstotliwościami na przykład megahercowymi, byłoby trudno przenieść ich energię na większe obiekty - wyjaśnia dr Żywociński.
Niestety badania pokazały, że energia ruchu pojedynczej cząsteczki, wytworzona podczas jednego obrotu, jest bardzo mała, aż dziesięć milionów razy mniejsza od energii zwykłych ruchów termicznych. Nasze pomiary to kubeł zimnej wody dla konstruktorów molekularnych nanomaszyn - zauważa prof. Robert Hołyst (IChF PAN).
Mimo wytwarzania małej mocy, wirujące cząsteczki ciekłych kryształów mogą znaleźć praktyczne zastosowania. Wynika to z faktu, że moc kolektywnie wirującego dużego zespołu cząsteczek jest odpowiednio większa. Ponadto na jednym centymetrze kwadratowym powierzchni wody takich zespołów, liczących biliony cząsteczek, może być wiele.
Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.