Moleküle in Motoren

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Bei der Tufts University Chemistry Assistant Professor Charles Sykes sagt, er liebt das Spiel mit Blöcken, bezieht er nicht auf den typischen Kinder Spielzeug. Stattdessen spricht er über seine Faszination mit dem sehen Atome und Moleküle bewegen sich auf einem Computerbildschirm vor ihm und mit Technologie, um die Moleküle bewegen sich selbst zu sehen, wie sie reagieren auf verschiedenen Oberflächen.

"Ich bekomme nie langweilig mit Blick auf Bilder von Atomen," sagte Sykes, der die Usen Familie Karriere Entwicklung Assistenzprofessur an der Tufts University hält. "Atome und Moleküle sind die Bausteine des Lebens, aber es wurde nur in den letzten 25 Jahren, die wir in der Lage, sie zu sehen gewesen und in den letzten 15 Jahren, die wir in der Lage, mit ihnen zu spielen."

Im Labor, Sykes und seine Schüler erkunden Sie Fragen im Zusammenhang mit Nanowissenschaften oder die Studie von Dingen, die ein Milliardstel von einem Meter groß sind – 80.000-Mal dünner als ein menschliches Haar. Um Moleküle zu sehen, verwenden sie scanning tunneling Mikroskope (STMs), die Elektronen statt Licht zu verwenden, um die es ermöglichen, Dinge so klein wie einzelne Atome zu sehen.

Ihr Ziel ist zu verstehen, wie Atome und Moleküle mit Oberflächen und neuartige nanoskaligen Strukturen zu bauen, durch die Kontrolle dieser Interaktionen. Theoretisch erklärt jedes Molekül zugeordnet werden konnte eine einzelne Aufgabe, Erstellen von ultra-kleine Geräte mehr als 10 Millionen Mal kleiner als einige der Geräte verwenden wir heute, Sykes.

"Solche Maschinen sind überall in der Natur zu sehen. Sie Aufgaben so vielfältig wie die Bewegung der Zellen antreiben und Ganzkörper Fortbewegung durch Muskelkontraktion auch Auto fahren. Aber Menschen nicht dieser Molekularbewegung in nanoskaligen Geräte schaffen ", sagte Sykes.

Das bedeutet, dass der erste Schritt für das Sykes-Team ist, Moleküle in Motoren zu verwandeln.

Während der Verwendung der STM um zu betrachten schwefelhaltigen Molekülen, Sykes bemerkte sie glich eine Achse mit einer Klinge, ähnlich wie ein Hubschrauber-Rotor. Er begann zu Fragen, ob sie nicht nur sah wie Rotoren, sondern bewegte sich wie Rotoren sowie.

Um ihre Bewegung zu testen, haben die Forscher kleine, einfache Moleküle, so genannte Thioethers, die nur 1 Nanometer breit und besteht aus zwei, vier-Atom Kohlenstoffketten auf beiden Seiten ein Schwefel-Atom sind. Mit flüssigem Helium und einer Niedertemperatur-STM, die Forscher gekühlt Thioethers sieben Grad Kelvin (K) oder etwa Minus 447 Grad Fahrenheit (F), und konnte sehen, dass jedes Molekül eine Linie oder einen dünnen Oval aussah. Mit zunehmender Temperatur bis 25 K (oder minus 435 F) begann das Molekül, eher wie ein Sechseck zu suchen, weil es war so schnell, ähnlich wie ein Hubschrauber Blade dreht.

"Wir entdeckten, dass bei sehr niedrigen Temperaturen die Moleküle Übergang zwischen einem gesperrten oder"eingefrorene"Zustand zu einem sie bei mehr als 1 Millionen Spinnen Mal pro Sekunde," erklärt Sykes.

Als nächstes versuchten die Forscher zum starten und stoppen der Spinnerei-Moleküle. Mit dem STM sie nahmen ein Individuum, Spinning-Molekül und schleppte ihn zu einer Gruppe von drei Moleküle miteinander verbunden, die sich nicht drehen waren. Das einzelne Molekül auf die Gruppe von drei gesperrt und Spinnen gestoppt. Ebenso die Forscher nahm gesperrten Moleküle und trennte sie, verursacht jeder Spinnen zu beginnen.

Das Potenzial für eine Spinnerei-Molekül zu einer Kettenreaktion und andere Moleküle zu drehen konnte reale Anwendungen in Delay-Lines, allgemein verwendet in Mobiltelefonen, Signale zu übertragen oder in andere Elektronik und Optoelektronik finden.

Im Januar erhielt Sykes einen Fünfjahres-CAREER Award durch die National Science Foundation, die ihm erlauben, seine Forschung in molekulare Rotation zu vertiefen. Die Forscher müssen beantworten weitere Fragen im Zusammenhang mit molekularen Richtung und Geschwindigkeit vor in der Lage, vorherzusagen, wie diese nanoskaligen Strukturen Verhalten könnte.

Er will auch zu einem breiteren Publikum interessiert, was er für ein faszinierendes Feld hält. Um dies zu erreichen, Sykes und seine Studenten haben einen YouTube video über die Verwendung der Nanotechnologie für alternative Energiequellen und sie besuchten Gymnasium Chemie Klassen mit einem tragbaren STM.

"Ich denke, wenn man Menschen zum richtigen Zeitpunkt in ihrer Karriere zu etwas wie Wissenschaft interessieren Sie vielleicht ihren Pfad ändern können", sagte Sykes.

• Top-10-Technologien, die Ihr Leben verändern wird
• Ein Schritt in Richtung Einzelmolekül-Computer
• Alles über Nanotechnologie

Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.