Motoare moleculare acționate de lumină. Viitorul spre nanomașini din ce în ce mai eficiente și mai sofisticate

Realizarea motoarelor moleculare de dimensiuni nanometrice (1 nanometru = 1 miliardime dintr-un metru) este una dintre realizările de vârf ale nanotehnologiei.

Acum, o echipă internațională de cercetători de la Universitatea din Bologna, Consiliul Național de Cercetare din Bologna și Universitatea din Luxemburg a demonstrat analogia teoretică dintre nanomotor și motorul termic și a cuantificat pentru prima dată capacitatea acestui sistem de a utiliza lumina pentru a stoca energie, combinând rezultatele experimentale cu simulări teoretice, potrivit UNIBO.

Pentru a efectua studiul a fost fublicat în Nature Nanotechnology, iar rezultatele obținute deschid noi perspective pentru proiectarea motoarelor moleculare capabile să utilizeze energia mai eficient și, în viitor, să îndeplinească funcții utile.

”Nanomotorul este capabil să folosească lumina ca combustibil transformându-l în element chimic, similar unui motor termic în patru timpi care transformă benzina în lucru mecanic: sistemul este complet autonom, se asamblează spontan în soluție pornind de la componentele sale și pornește atunci când este expus la lumină”, explică Alberto Credi, profesor la Departamentul de Chimie Industrială ”Toso Montanari” al Universității din Bologna și director științific al Centrului pentru Nanostructuri Activate de Lumină (CLAN).

”Funcționarea sa urmează pe cea a motoarelor biologice care reglează transportul de substanțe în interiorul celulelor sau contracția mușchilor”,  a mai adăugat Alberto Credi.

Motorul molecular construit și studiat la Bologna se bazează pe sistemul LEAP (pompa autonomă cu efect de lumină) și este capabil să funcționeze continuu convertind energia luminoasă a unei surse staționare (cum ar fi Soarele) în forță chimică.

LEAP a fost, de asemenea, primul exemplu de pompă moleculară artificială acționată de lumină. 

Descrierea nanomotorului

Motorul molecular este alcătuit din două componente în formă de inel și un fir care poate fi introdus unul în celălalt. Astfel, firul este capabil să interacționeze cu lumina modificându-i forma.

Această serie de interacțiuni între componente și cu lumina dă naștere la patru stări diferite în ciclul motoruluI, la fel ca și cum ar fi un motor termic în patru timpi.

Pentru a face considerații cantitative asupra ciclului de funcționare al nanomotorului, este însă necesar să se poată studia separat toate cele patru faze.

Pentru a face acest lucru, cercetătorii au combinat două tehnici care sunt utilizate de obicei separat: fotoiradierea și rezonanța magnetică nucleară (RMN) . Datorită unei fibre optice conectate la o sursă adecvată, lumina – sau ”combustibilul” nanomotorului – este transportată direct în instrumentul folosit pentru studierea moleculelor și mișcările acestora, adică spectrometrul de rezonanță magnetică nucleară. 

Rezultatele testărilor

Un prim rezultat foarte semnificativ este că volumul de muncă efectuat de motor este legat de intensitatea luminii utilizate pentru a-l face să funcționeze. La fel ca într-un motor termic care funcționează la viteze diferite în funcție de cantitatea de combustibil, nanomotorul funcționează și la viteze diferite, variind intensitatea luminii furnizate.

În al doilea rând, s-a observat că motorul prezintă o eficiență diferită în funcție de viteza de funcționare, care depinde foarte mult de debitul de combustibil furnizat (adică lumina).

Proiectul mașinilor moleculare

Mașinile moleculare artificiale, distinse cu Premiul Nobel pentru Chimie în 2016, transformă energia provenită dintr-o sursă în mișcări nanometrice controlate și sunt unul dintre cele mai izbitoare rezultate ale nanotehnologiilor.

O mai bună înțelegere a mecanismelor intime care reglează această conversie a energiei este necesară pentru a proiecta noi tipuri de mașini moleculare. În acest sens, rezultatele obținute reprezintă un pas semnificativ înainte pentru dezvoltarea unor mașini moleculare din ce în ce mai sofisticate.

Noul studiu despre LEAP este rezultatul unui proiect născut în urmă cu aproximativ 5 ani, ca parte a unui Grant avansat de la Consiliul European de Cercetare (ERC), cea mai prestigioasă finanțare a cercetării științifice din Europa.

Studiul face parte dintr-o activitate de cercetare în care Centrul pentru Nanostructuri Activate de Lumină (CLAN), un laborator comun al Universității din Bologna și al CNR, este lider internațional.

În trecut, laboratorul a atras deja atenția publicului prin dezvoltarea pompelor moleculare ( Nature Nanotechnology, 2015).

Rolul central al cercetării științifice bologneze în panorama mașinilor moleculare a fost pecetluit de evenimentul ”Molecular Machines Days”, desfășurat la Bologna în noiembrie 2018, cu participarea celor trei câștigători ai Premiului Nobel.

  Fiți la curent cu ultimele noutăți. Urmăriți DCNews și pe Google News