Οι μοριακές μηχανές παίρνουν ενέργεια από το φως

Από σελίδα του PhysicsWeb,10 Μαίου 2002

Το φως χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για να αποκτήσει μηχανική ενέργεια ένα απλό μόριο. Με μια τεχνική που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει τις μοριακές μηχανές του μέλλοντος, ο Hermann Gaub του Πανεπιστημίου Ludwig- Maximilians στο Μόναχο και συνάδελφοι του έκαναν ένα πολυμερές μόριο να στρεβλώσει και να συσταλλεί λόγω του φωτός που έπεφτε πάνω του. Ένα ειδικός πρόβολος που συνδέθηκε με το μόριο μέτρησε τις δυνάμεις που του ασκήθηκαν κατά τη διάρκεια αυτού του κύκλου, που μάλιστα επαναλήφθηκε αρκετές φορές προτού να σπάσει το μόριο (Science 296 1103).

Τώρα όμως η ομάδα του Gaub έχει δείξει ότι το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει τις μηχανικές μεταβάσεις σε ένα πολυμερές σώμα, το αζωβενζόλιο. Αυτό το πολυμερές σώμα είναι ένα μακρομόριο με πλευρικές αλυσίδες. Το μόριο αυτό έχει μια ταλαντευόμενη πλευρική ομάδα, η οποία μπορεί να έχει έναν από δύο προσανατολισμούς - που είναι γνωστοί στην Χημεία σαν "trans" και"cis"- όσον αφορά το κύριο μόριο. Το πολυμερές μόριο είναι μακρύτερο όταν η πλευρική ομάδα είναι στην θέση trans και κοντύτερο όταν είναι στη θέση cis.

Οι χημικοί από καιρό ξέρουν ότι αυτό το μόριο μπορεί να μεταστραφεί μεταξύ των δύο καταστάσεων του, της μακρυάς και της κοντής, φωτίζοντας το με ένα φως ορισμένων όμως μηκών κύματος, και ότι διάφορες χημικές διαδικασίες είναι βασισμένες σε αυτήν την επίδραση, σε μεγάλες ποσότητες δειγμάτων του πολυμερούς σώματος. Αλλά ο Gaub και οι συνάδελφοι του έχουν δείξει ότι αυτή η επίδραση μπορεί επίσης να είναι χρήσιμη και στο απλό μοριακό επίπεδο.

Οι ερευνητές έκαναν ένα δείγμα αυτού του πολυμερούς σώματος που περιέχει ένα μίγμα μακρών και κοντών μορίων, και σύνδεσαν ένα ειδικό πρόβολο  - υπό μορφή ατομικού μικροσκοπικού δυναμομέτρου - με ένα από τα μόρια της cis. Μετά από τον φωτισμό του δείγματος με ορατό ιώδες φως, τα cis-μόρια μετασχηματίσθηκαν σε trans μορφή, και ο πρόβολος  καταχώρησε τη δύναμη που παρήχθη από το μόριο καθώς στρεβλώθηκε κατά 1.4 nm. Όταν η ομάδα του Gaub φώτισε το πολυμερές εν συνεχεία με υπεριώδες φως υψηλής συχνότητας, τότε αναπτύχθηκε μια συμπιεστική δύναμη που επανάφερε το μόριο στην αρχική του θέση, που ανιχνεύθηκε καθώς το μόριο συστάλθηκε.

Για να εξετάσουν εάν το μόριο θα μπορούσε να κάνει μηχανικό έργο, οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα μετά την εφαρμογή φορτίων - μέχρι 500 pN - στο μόριο χρησιμοποιώντας πρόβολο (δοκούς στήριξης). Όταν φώτισαν το μόριο όπως και πριν, διαπίστωσαν ότι συνέχισε να στρεβλώνει και να συστέλλεται εξ' αιτίας της εφαρμοσμένης δύναμη. Αυτό τους επέτρεψε να υπολογίσουν ότι το μόριο είχε κάνει μηχανικό έργο καθώς το μήκος του άλλαξε όταν έπεσε πάνω του φως.

Αν και η διαδικασία είναι, αυτήν την περίοδο, μάλλον ανεπαρκής, η ομάδα του Gaub είναι αισιόδοξη ότι μπορεί να βελτιωθεί έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να λειτουργήσει σαν μια πραγματική συσκευή.

Το πείραμα αυτό εκτιμάται ότι θα έχει μεγάλη σημασία στο χώρο της νανοτεχνολογίας, όπου στόχος είναι η σμίκρυνση μηχανών και μηχανισμών σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο.

Σύμφωνα με τους ειδικούς, η δυνατότητα εκμετάλλευσης του φωτός ως κινητήρια δύναμη για μια νανομηχανή μπορεί να είναι η επόμενη επανάσταση στη νανοτεχνολογία