Kleinste elektromotor ooit van tien atomen breed

Voor de eerste keer is er een elektrische motor gemaakt van een enkel molecuul. Met 1 nanometer lang, maakt dit het organische molecuul meteen de kleinste elektrische motor ooit. Atomenlego komt steeds dichterbij.

Als zodanig is de motor al een vermelding waard in het Guinness boek met wereldrecords, vinden de auteurs, maar er zijn ook praktische toepassingen. Vloeistof door de nanometer-brede kanaaltjes in een ‘lab on a chip’ stuwen, bijvoorbeeld. Dat moleculen kunnen gaan bewegen onder invloed van licht of chemische reacties is al langer bekend.
Dit is echter de eerste keer dat een molecuul zich voorspelbaar gedraagt en wordt aangedreven door elektriciteit – de functionele eis aan een elektromotor.

E. Charles Sykes en zijn team van de Tufts University in Boston makten toen gebruik van het asymetrische molecuul butyl-methylsulfide. Dit is een zwavelatoom met aan de ene kant butyl, een ‘rups’  van vier koolstofatomen en aan de andere kant methyl, een enkel koolstofatoom (uiteraard net als het butyleinde verder volledig omringd met waterstofatomen, zoals een beschaafde koolwaterstof betaamt).  Ze hechtten dit molecuul aan een koperen oppervlak via het zwavelatoom. Zo ontstond er een soort asymmetrische ‘propellor’.

Scanning tunneling elektronenmicroscopen hebben een punt aan de naald van enkele atomen dik. Toen de onderzoekers een stroom toevoerden door het molecuul via die tip, zette het molecuul de elektrische energie om in rotatie-energie: het begon te draaien in beverige schokjes in ongeveer vijftig omwentelingen per seconde.  Omdat de propellor asymmetrisch is, kan het op twee verschillende manieren worden blootgesteld aan het koper. Slechts in één oriëntatie trad het effect op: de rotatie vond overwegend in de richting van de klok plaats. Met andere woorden: een motor. Sykes weet niet waarom de afwijking optrad, maar denkt dat het te maken heeft met een asymmetrie in de punt van de naald. Het is uiterst lastig op atomaire schaal iets scherp te maken. Als Guinness dit record accepteert, verpulvert de motor van ongeveer tien atomen groot het bestaande record met factor 200. De huidige wereldrecordhouder bestaat namelijk uit twee 200 nanometer lange koolstofnanobuisjes.

Sykes hoopt dat hij zijn nanomotor kan gebruiken als een soort aandrijfmiddel om vloeistoffen door nanometersbrede knaaltjes te kunnen persen. Erg handig als we met een lab on a chip snel diagnoses willen kunnen stellen, waar artsen en patiënten anders dagen lang op moeten wachten. Ook kan je denken aan een soort moleculaire lopende band, die aan wordt gedreven met een reeks van deze propellors, waarin moleculen stukje bij beetje in elkaar kunnen worden gezet. Hoe dan ook, het tijdperk waarin machientjes van misschien enkele honderden atomen breed driftig bezig zijn met allerlei andere nanomachientjes in elkaar te zetten, komt zo steeds dichterbij. Sykes deed zijn proeven vijf graden boven het absolute nulpunt. Bij honderd kelvin in plaats van vijf kelvin tollen de machientjes miljoenen malen per seconde rond. Te snel om te meten voor het team, dat de meetresultaten van vijf minuten  meten in enkele weken analyseerde. Maar uiteraard ideaal voor nanofabriekjes die met griezelige hoge snelheden allerlei mooie dingen voor de mensen uitbraken.

Bron:
E C Sykes et al., Experimental demonstration of a single-molecule electric motor, Nature Nanotechnology (2011)
The really little engine that could – Tufts University (2011)