Je leest:

Enkel molecuul is kleinste elektromotor ooit

Enkel molecuul is kleinste elektromotor ooit

Auteur: | 8 september 2011

Het klinkt al grappig: een nanomótor van een nanométer. Amerikaanse chemici hebben een elektrische motor gemaakt die bestaat uit één enkel molecuul, met een grootte van één nanometer. Het is officieel de kleinste elektromotor ooit. Maar het is niet alleen bijzonder: volgens de onderzoekers heeft het ding ook praktisch nut.

De makers van de uit één molecuul bestaande elektrische motor hebben hun ontwerp meteen maar opgestuurd naar Guinness World Records. Mocht het worden opgenomen in het boek der extreme prestaties, dan wordt het vorige record werkelijk verpulverd. Het uit een koolstofnanobuisje (200 nanometer lang) bestaand motortje dat tot nu toe de titel ‘kleinste motor ooit’ bezit, is gigantisch vergeleken met het nieuwe ontwerp. Let wel, we praten hier over voor het oog onzichtbare krachtbronnen: een haar is al gauw zo’n 60.000 nanometer dik.

Propellor

Al eerder lukte het wetenschappers om moleculen te laten bewegen onder invloed van licht of chemische reacties. Moleculen laten bewegen middels elektriciteit was vooralsnog alleen op papier bedacht, maar het team van de Tufts University in Massachusetts (VS) demonstreert nu voor het eerst een voorbeeld in de praktijk. En omdat het hier gaat om een gecontroleerde beweging, voldoet het aan de definitie van een ‘motor’.

Het butyl-methyl-sulfidemolecuul draait om zijn as, waarbij het zwavelatoom (blauw) als as fungeert.

Het molecuul in kwestie is butyl-methyl-sulfide, ofwel C5H12S. Gelegd op een koperen oppervlak, zal het zwavelatoom middels adsorptie binden aan het koper. De koper-zwavelbinding fungeert als as, waar de kool- en waterstofatomen in de vorm van twee armen om heen draaien. Als een soort propeller zeg maar.

Vlak boven het molecuul hield het team de naald van een scanning tunneling microscope (STM). Deze naald is zo dun, dat het uiteinde uit slechts een paar atomen bestaat. Toen het team een spanning zette over de naald en het koperoppervlak, begon er een stroom te lopen door het molecuul. Het molecuul zette de elektrische energie uit deze stroom om in rotatie-energie en begon te draaien.

Schematische voorstelling van de nanomotor met één molecuul. Het zwavelatoom (blauw) adsorbeert aan het koperoppervlak en de STM-naald zorgt voor een stroom waardoor het molecuul rondom de zwavel-koperverbinding draait. De waterstofatomen staan niet afgebeeld, ze bevinden zich aan de koolstofatomen (oranje).
Kennislink

Verschillend draaigedrag

Wie de plaatjes van het molecuul goed bekijkt, ziet dat het aantal koolstofatomen aan beide kanten van het zwavelatoom ongelijk is. De propellor is als het ware uit evenwicht. Omdat het molecuul asymmetrisch is, heeft het twee verschillende oriëntaties ten opzichte van het koperoppervlak. Tot verbazing van het team gaven de twee oriëntaties aanleiding tot verschillend draaigedrag.

In één oriëntatie was de draaiing vaker met de klok mee dan andersom. Dat maakt het tot een ‘motor’, want als het molecuul in beide richtingen even vaak draait, geldt het als een willekeurige en dus ongecontroleerde beweging. In de andere oriëntatie zou je het omgekeerde gedrag verwachten, maar in dit geval was sprake van willekeurige draaiing (dus officieel geen motor). Het team heeft geen verklaring voor het verschil in gedrag, maar mogelijk speelt de asymmetrie van de naald van de STM een rol.

Een lab-on-a-chip is eigenlijk een soort laboratorium dat op een klein stukje plastic is gepropt. De chip kan metingen doen aan vloeistof dat door minuscuul dunne kanalen loopt. Mogelijk kan de elektromotor helpen het vloeistof door de kanalen te pompen.
Universiteit Twente

Temperatuur bepaalt

Door de naald van de STM als elektrode te gebruiken, kon het team van diezelfde STM gebruik maken om de draaiende motor in beeld te brengen. Een STM is tenslotte ook een microscoop.

Ze zagen dat de draaisnelheid afhankelijk was van de temperatuur. Bij kamertemperatuur gaat het draaien veel te snel om te kunnen volgen. Bij een temperatuur van 5 Kelvin (-268 ºC) bleek de draaisnelheid laag genoeg om het molecuul te zien draaien. Het ding draaide op dat moment zo’n 50 keer per seconde om zijn as.

Dat de temperatuur zo laag moet zijn om de motor te kunnen volgen – en dus te kunnen controleren – is nog een probleem voor eventuele toepassingen. Mocht op dat probleem iets gevonden worden, dan is de motor volgens onderzoeksleider Sykes in theorie inzetbaar in verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld als pomp om vloeistof door dunne kanaaltjes heen te duwen op een lab-on-a-chip, of als schakelaar in elektrische circuits. Maar eerst maar eens afwachten wat het Guinness World Records ervan vindt…

Bron:

  • C. Sykes e.a., Experimental demonstration of a single-molecule electric motor, Nature Nanotechnology (4 september 2011) DOI:10.1038/nnano.2011.142

Lees meer over moleculaire motoren op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/moleculaire-motor/index.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 september 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.