p Um colaborador de cientistas propôs um modelo para um fotomotor dipolo nanométrico baseado no fenômeno da redistribuição de carga induzida pela luz. Disparado por um pulso de laser, este minúsculo dispositivo é capaz de movimento direcionado a uma velocidade recorde e é poderoso o suficiente para transportar uma certa carga. Os resultados da pesquisa foram publicados no Journal of Chemical Physics . p "As características sem precedentes dos fotomotores dipolares baseados em nanoclusters de semicondutores oferecem perspectivas além de abordar uma certa escassez da família de fotomotores translacionais. Esses dispositivos podem realmente ser usados ​​onde quer que o transporte rápido de nanopartículas seja necessário. Em química e física, eles poderiam ajudar a desenvolver novos instrumentos analíticos e sintéticos, enquanto na biologia e medicina, eles podem ser usados ​​para entregar drogas aos tecidos doentes, melhorar as estratégias de terapia genética, e assim por diante, "diz o Prof. Leonid Trakhtenberg do Departamento de Física Molecular e Química do MIPT, que é o líder da equipe de pesquisa e chefe do Laboratório de Nanocompósitos Funcionais do ICP RAS.

p O Prof. Trakhtenberg colaborou com o Prof. Viktor Rozenbaum, que chefia o Departamento de Teoria de Sistemas Nanoestruturados do ISC NASU, desenvolver a teoria do transporte molecular fotoinduzido. Essa teoria fornece uma estrutura para o projeto de nanomáquinas cujo movimento pode ser controlado por um laser. Os cientistas estabeleceram a relação entre vários parâmetros do modelo (por exemplo, dimensões de partículas, condições de fotoexcitação etc.), e a principal característica de desempenho do dispositivo - sua velocidade média.

p Motores brownianos

p Nanomotores direcionados têm protótipos na natureza. Os organismos vivos usam dispositivos de proteína impulsionados por processos externos de não-equilíbrio de natureza diferente. São conhecidos como brownianos, ou motores moleculares. Eles são capazes de converter o movimento browniano aleatório em movimento translacional direcionado, reciprocidade, ou rotação. Os motores brownianos estão envolvidos na contração muscular, mobilidade celular (motilidade flagelar de bactérias), e o transporte intra e intercelular de organelas e partículas relativamente grandes de várias substâncias (por exemplo, fagocitose, ou "comedor de células, "e eliminação de resíduos metabólicos da célula). Esses dispositivos operam com uma eficiência incrivelmente alta que se aproxima de 100%.

p "Compreender os mecanismos subjacentes à operação de motores moleculares de ocorrência natural nos permite não apenas replicá-los, mas também projetar novos dispositivos artificiais multifuncionais altamente eficientes que podem eventualmente ser aplicados em nanorobóticos. Nas últimas décadas, pesquisadores e engenheiros em vários campos têm trabalhado juntos e feito algum progresso real no desenvolvimento de nanomáquinas controláveis. Os resultados de seu trabalho foram reconhecidos como uma conquista altamente relevante e um avanço significativo na ciência e tecnologia quando o Prêmio Nobel de Química de 2016 foi concedido pelo design e síntese de máquinas moleculares, "diz o Prof. Rozenbaum.

p Um motor browniano opera alternando entre pelo menos dois estados discretos, que é alcançado por meio de reações químicas, ação térmica, Sinais AC, ou pulsos de luz. No último caso, o dispositivo é conhecido como fotomotor.

p Cerca de 10 anos atrás, um modelo foi desenvolvido para descrever o trabalho de um fotomotor dipolo translacional que opera via fotoexcitação da molécula em um estado com momento dipolar diferente daquele no estado fundamental. Quanto maior a diferença entre os momentos dipolares totais da nanopartícula nos dois estados de energia, quanto maior a velocidade média e eficiência do motor.

p Acionamento de laser

p O motor proposto é ativado por um pulso de laser ressonante, que excita elétrons no nanocluster semicondutor em forma de cilindro causando uma separação de cargas e dando origem a uma interação eletrostática entre a partícula e o substrato polar. Submeter o nanocilindro a pulsos de laser ressonantes periódicos faz com que sua energia potencial no campo do substrato varie com o tempo, que, por sua vez, permite o movimento direcionado (consulte o diagrama).

p Fotomotores baseados em nanopartículas inorgânicas superam suas contrapartes baseadas em moléculas orgânicas em termos de eficiência e velocidade média. Em um nanocluster semicondutor em forma de cilindro, o valor do momento de dipolo antes da irradiação é próximo a zero, mas a fotoexcitação de um elétron da massa para a superfície dá origem a um enorme momento de dipolo (aproximadamente 40 D para um cilindro com uma altura de cerca de 15 Å).

p "Devido ao fato de que os parâmetros do dispositivo foram otimizados, nosso fotomotor modelo proposto com base em um nanocilindro semicondutor se move a uma velocidade recorde de 1 mm / s, que é aproximadamente três ordens de magnitude mais rápido do que modelos semelhantes baseados em moléculas orgânicas ou proteínas motoras em organismos vivos, "dizem os autores.