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为纳米机器装上齿轮:科研人员发明传递旋转力的分子级传动系统

日本奈良科学技术研究所的研究人员与法国保罗-萨巴蒂埃大学的研究团队合作,正在推进用于传递旋转力的分子尺度齿轮传动系统科学。几个世纪以来,齿轮传动系统一直被用来将齿轮转速的变化转化为旋转力的变化。汽车、钻头以及基本上任何有旋转部件的东西都使用它们。分子尺度的齿轮是一个更尖端的发明,它可以利用光或化学刺激来启动肉眼看不见的机械齿轮旋转。

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日本奈良科学技术研究所(NAIST)的研究人员与法国Paul Sabatier大学的研究团队合作,在《化学科学》杂志上发表的一项新研究中报告了一种可视化超小型齿轮组(一种相互连接的齿轮链)工作快照的方法。

NAIST项目负责人Gwénaël Rapenne教授致力于制造分子尺度的机械装置,如车轮和电机。研究人员最近设计了一个分子齿轮系的齿轮轮,但目前还没有办法将齿轮的运行情况可视化。

“监测分子齿轮运动的最直接方法是通过静态扫描隧道显微镜图像。为了达到这些目的,这种齿轮的其中一个齿必须在立体或电化学上与其他齿不同,”Rapenne解释说。

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研究人员首先创造了一个由五个桨叶组成的分子齿轮,其中一个桨叶比其他四个桨叶长几个碳原子。然而,正如他们去年所表明的那样,桨叶长度的差异会破坏沿着齿轮系的协调运动。因此,桨叶电化学的差异是一种更有前途的设计方法,但在合成上更具挑战性。

“我们利用计算研究来预测电子耗散单元或金属化学是否可以定制桨叶的电子特性,而不改变桨叶尺寸,”Rapenne说。这种量身定制的特性非常重要,因为人们可以通过使用扫描隧道显微镜观察到它们的对比度差异,从而促进静态成像。

研究人员如何使用这些齿轮轴?想象一下,将一束高度聚焦的光照到其中一个齿轮上,或者施加化学刺激,以启动旋转。通过这样做,人们可以像传统的齿轮传动系统一样,以协调的方式旋转一系列齿轮轮,但在分子尺度上,这包括设备的最终小型化。”我们现在有办法将这种旋转可视化,”Rapenne指出。

通过利用这一发展来进行单分子力学研究,Rapenne乐观地认为,广大研究界将拥有一个强大的集成纳米级机器的新设计。”我们还没有做到这一点,但正在合作以尽快实现它,”他说。

转自 https://www.cnbeta.com/articles/science/1108463.htm

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