רוטור זעיר לשימוש בננו-מכאניקה

החוקר Anatoly Kolomeisky, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת רייס (Rice), מספק הצצה לעולם המולקולארי שבו אטומים מנמיכים, צוללים וממריאים בהתאם למערכת חוקים הממתינים עדיין לפענוחם

החוקר Anatoly Kolomeisky, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת רייס (Rice), מספק הצצה לעולם המולקולארי שבו אטומים מנמיכים, צוללים וממריאים בהתאם למערכת חוקים הממתינים עדיין לפענוחם.

צוות המחקר מספק התקדמות רצינית לעבר הגדרת התנהגותם של “סביבונים” מולקולאריים אלו במאמר חדש שפורסם בכתב-העת המדעי Journal of Physical Chemistry C. על סמך הדמיות של דינאמיקה מולקולארית החוקרים הצליחו לאפיין את החוקים שבבסיס תנועתן הסיבובית של מולקולות הנעות ע”ג משטח זהב. מחקר זה בא בעקבות מחקרים אחרים שהתבצעו באותה האוניברסיטה בתחום של “ננו-רכבים”. במחקרם, הצוות הצליח לפענח מספר מאפייני מפתח בהתנהגותם של רוטורים זערוריים אלו, ממצאים שיוכלו לסייע בהבנת הדרכים שבהן מכונות מולקולאריות פועלות בגוף האנושי.

התנועה שהם מתארים מצויה בכל מקום בטבע, מסביר החוקר הראשי. הדוגמא הברורה ביותר לעין הינה השוטון של חיידק, המנצל תנועה סיבובית פשוטה לשם תזוזתו. “כאשר השוטון מסתובב בכיוון השעון, החיידק נע קדימה. כאשר הוא מסתובב בניגוד לכיוון השעון הם נופלים.” ברמה זעירה עוד יותר, ATP-סינתאז, שהינו אנזים חשוב בהעברת אנרגיה לתאים של מערכות חיות, מפגין תנועה סיבובית דומה.

הבנת יכולת הבנייה והשליטה ברוטורים מולקולאריים תאפשר את פיתוחם של מספר חומרים חדשים ומעניינים שיוכלו לשמש בתחום של ננו-מכונות. החוקרים מדמיינים בעיני רוחם את הפיתוח של מסנני רדיו שיוכלו לאפשר מעבר של אותות צרים במיוחד, בהתאם לתדירות הננו-רוטורים. “פיתוח חומר שכזה יהיה חשוב מאוד, למרות עלותו היקרה,” מציין החוקר. “יחד עם זאת, אם אצליח לבנות מאות רוטורים שינועו בו-זמנית עם סימן ממני, אהיה שמח מאוד.”

מולקולת המודל הבסיסי כוללת אטום גופרית במרכז, אשר אליו קשור זוג של שרשראות אלקיל, כעין כנפיים, ואשר מסוגלת להסתובב באופן חופשי בחימום. אטום הגופרית מעגן את המולקולה למשטח הזהב.

בעודם עובדים על מחקר קודם, המדענים חזו בעדויות מצולמות של תנועה סיבובית של מולקולות גופרית/אלקיל שחוממו ע”ג משטח זהב בעזרת תמונות של מיקרוסקופ מנהור. ככל ששיעור החימום התגבר, התמונה השתנתה מקו למלבן ואחר כך למשושה – שינויים המאפיינים תנועה. התמונה לא הייתה מסוגלת להסביר מדוע התהליך הזה מתרחש לו.

באמצעות בדיקת הדמיות מחשב של מגוון תצורות תיאורטיות – אחדות מהן בעלות שרשראות סימטריות, לא-סימטריות ואחדות בעלות שרשרת אחת בלבד – החוקרים הצליחו לאפיין אוסף של תכונות משתלבות השולטות בהתנהגותם של רוטורים בעלי מולקולה יחידה.

ראשית, מסביר החוקר, לסימטריה ולמבנה משטח הזהב ישנה השפעה רבה על יכולתו של הרוטור להתגבר על מחסום האנרגיה המונע בעדו להסתובב תמידית. כאשר שתי הזרועות קרובות למולקולות המשטח, המחסום גדול. אולם, כאשר אחת מהזרועות נמצאת מעל מרווח בין אטומי הזהב, המחסום קטן יותר משמעותית.

שנית, רוטורים סימטריים מסתובבים מהר יותר מאשר רוטורים לא-סימטריים. ככל שהשרשרת מבין שתי זרועות לא סימטריות ארוכה יותר, נדרשת יותר אנרגיה על-מנת לנוע, ותכונה זו גורמת לחוסר איזון. ברוטורים סימטריים, השרשראות, בדומה לכנפיים קשיחים, מפצות אחת על השנייה בזמן שהן צוללות לתוך המרווח, בעוד שהאחרות מגביהות מעל מולקולות המשטח. מאפיין שלישי, מציין החוקר, הינו סוג הקשר הכימי שבין האטום המעוגן למשטח לבין השרשראות, תכונה הקובעת את מידת חופשיותו של הרוטור להסתובב. לבסוף, הסוג הכימי של הקבוצות המסתובבות מהווה גם הוא גורם חשוב. המדען מציין כי המחקר פותח צוהר להדמיות של מולקולות רוטורים מורכבות יותר.

הידיעה על המחקר