Jotta molekyylimoottoreita voitaisiin hyödyntää tehokkaasti, niiden olisi pystyttävä toimimaan yhtenäisesti. Nanometrin kokoisten moottoreiden yhdistäminen yhdeksi järjestelmäksi ja niiden toimiminen yhtenäistäminen on kuitenkin osoittautunut melkoiseksi haasteeksi. Groningenin yliopiston kemistit ovat nyt onnistuneet integroimaan lukuisia yksisuuntaisia valolla toimivia pyöriviä roottoreita metalliorgaaniseen kehykseen (MOF, metal-organic framework). Kyseessä on kiinteä materiaali, jolla on häkin kaltainen rakenne.
Erilaisia nanomittakaavan molekyylimoottoreiden ryhmiä on kokeiltu pintatasoilla mutta sellaisia ei ole aiemmin luotu 3D-kiintoainemateriaaliin. Groningenin yliopiston tutkijoiden ryhmä sai aikaan 3 x 1020 valolla ajettavaa yksisuuntaisesti pyörivää moottoria kuutiosenttimetriä kohti.
Tutkijat sijoittivat moottorit metalli-orgaanisiin kehyksiin. Nämä ovat metalleista valmistettuja molekylaarisia häkkejä, joita yhdistivät toisiinsa orgaanisten molekyylien "kannattimet". Näiden molekyylihäkkien järjestyneet 3D-pinot muodostavat kiteitä.
Molekyylimoottorien staattorikomponentteina toimivat häkkien pilarit, kun taas roottorikomponentit pysyvät vapaina häkkien sisällä. Moottorit saatiin toimimaan valaisemalla kidettä UV-valolla.
Järjestelmän testit osoittivat, että moottorit suuntautuivat pääasiassa samaan suuntaan ja että niiden pyörimisnopeus oli samanlainen kuin nesteissä saavutetut nopeudet. Tämän ansiosta on mahdollista luoda "moottoroitu MOF", jossa suuri määrä molekyylimoottoreita pakataan tiheästi yhteen makroskooppisen kiteen luomiseksi.
Teoriassa tällaisia kiteitä voitaisiin käyttää esimerkiksi kontrolloimaan kaasujen diffuusiota tai ne voisivat toimia valoa käyttävinä pumppuina mikrovirtausjärjestelmissä. Toinen mahdollinen sovellus olisi syöttää moottoroituun MOF:iin materiaaleja, jotka sitten reagoisivat häkkien sisällä ennen kuin ne pumpataan ulos uudelleen.
Tutkijoiden mukaan tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta ennen kuin jokin näistä sovelluksista voi realisoitua. Yksi mahdollinen ongelma on esimerkiksi se, että häkkien läpi kulkevat materiaalit saattavat häiritä moottoreiden toimintaa ja aiheuttaa järjestelmän tukkeutumisen.
Tutkijatiimin esittämä järjestelmä tarjoaa kuitenkin ponnahduslautan 3D-matriisiin integroitujen moottorien kollektiivisen käyttäytymisen tutkimiseksi.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 25.3.2019
