Una collaborazione di scienziati ha proposto un modello per un fotomotore a dipolo nanometrico basato sul fenomeno della ridistribuzione della carica indotta dalla luce. Attivato da un impulso laser, questo minuscolo dispositivo è in grado di eseguire un movimento diretto a una velocità record ed è abbastanza potente da sostenere un certo carico. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel Giornale di Fisica Chimica .

"Le caratteristiche senza precedenti dei fotomotori a dipolo basati su nanocluster semiconduttori offrono prospettive che vanno al di là di affrontare una certa scarsità della famiglia dei fotomotori traslazionali. Questi dispositivi potrebbero effettivamente essere utilizzati ovunque sia richiesto un trasporto rapido di nanoparticelle. In chimica e fisica, potrebbero aiutare a sviluppare nuovi strumenti analitici e sintetici, mentre in biologia e medicina, potrebbero essere usati per somministrare farmaci ai tessuti malati, migliorare le strategie di terapia genica, e così via, " afferma il Prof. Leonid Trakhtenberg del Dipartimento di Fisica Molecolare e Chimica del MIPT, che è il capo del gruppo di ricerca e il capo del Laboratorio di Nanocompositi Funzionali presso ICP RAS.

Il prof. Trakhtenberg ha collaborato con il prof. Viktor Rozenbaum, che dirige il Dipartimento di Teoria dei Sistemi Nanostrutturati presso ISC NASU, sviluppare la teoria del trasporto molecolare fotoindotto. Questa teoria fornisce un quadro per la progettazione di nanomacchine il cui movimento può essere controllato da un laser. Gli scienziati hanno stabilito la relazione tra diversi parametri del modello (ad es. dimensioni delle particelle, condizioni di fotoeccitazione ecc.), e la caratteristica chiave delle prestazioni del dispositivo:la sua velocità media.

Motori Browniani

I nanomotori diretti hanno prototipi in natura. Gli organismi viventi fanno uso di dispositivi proteici guidati da processi esterni di non equilibrio di diversa natura. Questi sono conosciuti come Brownian, o motori molecolari. Sono in grado di convertire il moto browniano casuale in moto traslatorio diretto, reciprocità, o rotazione. I motori browniani sono coinvolti nella contrazione muscolare, mobilità cellulare (motilità flagellare dei batteri), e il trasporto intra e intercellulare di organelli e particelle relativamente grandi di varie sostanze (ad es. fagocitosi, o "mangiare cellule, " ed eliminazione dei prodotti di scarto metabolici dalla cellula). Questi dispositivi funzionano con un'efficienza sorprendentemente elevata che si avvicina al 100%.

"Comprendere i meccanismi alla base del funzionamento dei motori molecolari naturali ci consente non solo di replicarli, ma anche di progettare nuovi dispositivi artificiali multifunzionali altamente efficienti che potrebbero eventualmente essere applicati nella nanorobotica. Negli ultimi decenni, ricercatori e ingegneri in vari campi hanno lavorato insieme e hanno compiuto progressi concreti verso lo sviluppo di nanomacchine controllabili. I risultati del loro lavoro sono stati riconosciuti come un risultato estremamente rilevante e un significativo progresso nella scienza e nella tecnologia quando è stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica 2016 per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari, " dice il prof. Rozenbaum.

Un motore Browniano funziona commutando tra almeno due stati discreti, che si ottiene mediante reazioni chimiche, azione termica, segnali CA, o impulsi luminosi. Nel secondo caso, il dispositivo è indicato come fotomotore.

Circa 10 anni fa, è stato sviluppato un modello per descrivere il lavoro di un fotomotore a dipolo traslazionale che opera tramite la fotoeccitazione della molecola in uno stato con un momento di dipolo diverso da quello dello stato fondamentale. Maggiore è la differenza tra i momenti di dipolo totali della nanoparticella nei due stati energetici, maggiore è la velocità media e l'efficienza del motore.

Innesco laser

Il motore proposto è attivato da un impulso laser risonante, che eccita gli elettroni nel nanocluster semiconduttore a forma di cilindro provocando una separazione di cariche e dando luogo ad un'interazione elettrostatica tra la particella e il substrato polare. Sottoporre il nanocilindro a impulsi laser risonanti periodici fa sì che la sua energia potenziale nel campo del substrato vari nel tempo, che a sua volta consente il movimento diretto (vedi diagramma).

I fotomotori basati su nanoparticelle inorganiche superano le prestazioni dei loro omologhi basati su molecole organiche in termini di efficienza e velocità media. In un nanocluster semiconduttore a forma di cilindro, il valore del momento di dipolo prima dell'irraggiamento è prossimo allo zero, ma la fotoeccitazione di un elettrone dalla massa alla superficie dà luogo a un enorme momento di dipolo (circa 40 D per un cilindro con un'altezza di circa 15 Å).

"Grazie al fatto che i parametri del dispositivo sono stati ottimizzati, il nostro fotomotore modello proposto basato su un nanocilindro a semiconduttore si muove a una velocità record di 1 mm/s, che è di circa tre ordini di grandezza più veloce di modelli simili basati su molecole organiche o proteine ​​motorie negli organismi viventi, "dicono gli autori.