Nanomotor

Nanomotorer er enheter på nanoskala som er i stand til å omsette energi i bevegelse. Dette er både utprøvd å tenkes utført gjennom ulike biologiske, molekylære og mekaniske modeller. De mekaniske motorene er gjerne bygget opp av menneskeskapte nanostrukturer, mens de biologiske består av elementer som finnes i naturen forøvrig.

En nanomotor vil typisk kunne yte krefter i en størrelsesorden på noen få piconewton. Nanomotorer kan tenkes brukt innenfor medisin, robotikk, effektivisering av energikilder og en rekke andre spennende områder. I likhet med en del annen type nanoteknologi er dette nyvinninger som man kan se for seg brukt til svært viktige oppgaver i samfunnet. I fremtiden ser man også for seg nanomotorer som komponenter i større systemer, der nanomotoren i seg selv ikke er systemet.

Historie

I likhet med de fleste forskningsområder relatert til nanoteknologi er motorer et veldig ferskt felt. I naturen har nanomotorer eksistert i millioner av år, men menneskets evne til å utforske disse knøttsmå motorene har fremtrådt i løpet av det siste århundret.

Og konstruksjonen av slike motorer ble først et tema i 1999 da T. Ross Kelly og samarbeidspartnere ved Boston College konstruerte en kjemisk drevet molekylær nanomotor. Denne besto av triptycene og helicene og var i stand til å gjennomføre en 120 graders rotasjon.

Da Alex Zettl og hans team fra UC Berkeley i 2003 bygget sin nanomotor var starten på de såkalte nanoelektromekaniske systemmotorer i gang. Noen konsepter og modeller har dukket opp siden da, som motorer drevet av termisk gradient og elektronvindmøllemotorer, som begge ble laget i 2008.^{[trenger referanse]}

Videre ble de første forsøkene på biologiske nanomotorer utviklet i løpet av 2000-tallet, med enkelte forsøk på å isolere motorikken i flagellene i E. Coli-bakterier.

Bruksområder

Nanomotorer kan tenkes brukt i medisinsk sammenheng, deriblant til å levere legemidler til spesifikke deler av kroppen – der nanomotoren både kan fungere som transportmiddel og som pumpe ved selve målet. Et annet medisinsk felt er som energiforskyning til pacemakere, insulinpumper og andre medisinske enheter eller til å utpeke kreftceller og transportere gift til disse.

Roterende nanomotorer kan brukes til å blande væsker i mikroflytende systemer eller som en mikrobølgeoscillatorer ved hurtige rotasjoner. I mikroflytende systemer ser man også for seg brukt små nanoplater til å registrere bevegelser i væsken. Tilsvarende ser man også for seg at ladede, oscillerende metallplater kan brukes som sendere av elektromagnetiske bølger.

En nanomotor kalt elektronvindmølle regnes også som brukbar til oppgaven som bryter, ved at en spenningspuls fører til at et indre element i elektronvindmøllen begynner å rotere ved en bestemt vinkel.

Det kanskje største og mest generelle feltet nanomotorer tenkes brukt er som drivkraft til ulike nanoroboter. Her er igjen bruksområdene omtrent like mange som til nanomotorer selv, men med større vekt på «selvstyrte» og intelligente systemer.

Virkemåte

De ulike typene nanomotorer har naturlig nok en ganske ulik virkemåte. Biologiske og molekylære nanomotorer går over i hverandre med glidende overganger, hvor ofte de biologiske kan karakteriseres ved at de etterligner eller benytter seg av virkemåter som allerede finnes i celler og skapninger i naturen. Molekylære nanomotorer er i større grad knyttet opp mot rene molekylære og kjemiske prosesser, men henter ofte inspirasjon fra biologien i flere av startideene. Nanorør nanomotorer skiller seg noe ut fra biologiske- og molekylære nanomotorer. De er mye mer robuste og har et større arbeidsområde. Her er karbonnanorør med sine lønnsomme egenskaper, helt avgjørende.

Nanorør nanomotorer

Nanorør nanomotor er en type nanomotor med karbonnanorør som hovedkomponent, som kan generere lineær eller rotasjonell bevegelse. I motsetning til biologiske nanomotorer som er designet for å jobbe i bestemte miljøer, er de menneskeskapte nanorør nanomotorene langt mer motstandsdyktige og kan fungere i diverse miljøer med varierende temperatur, pH, etc.. Mye av dette er takket være karbonnanorør, som med sine ulike fordelaktige egenskaper gjør seg til det meste attraktive materialet å basere slike motorer på.^{[trenger referanse]}

En nanorør nanomotor (NEMS), slik det for første gang ble konstruert, består av en gullplaterotor som roterer rundt aksen til et flervegget karbonnanorør, MWNT. Endene på MWNT hviler på en oksidert overflate av en silisium-brikke, som danner to elektroder i kontaktpunktene.

Rotoren er omgitt av tre faste statorelektroder; to av dem i samme plan som silisiumoksid overflaten, mens en av dem ligger begravd under overflaten. Fire uavhengige spenningssignaler, ett til rotoren og tre til statorene, brukes videre til å kontrollere posisjon, fart og rotasjonsretning på rotorplaten. Spenningssignalene som sendes til rotoren og statorene er forskjellige, der rotorsignalet er et likestrømsignal, mens de tre andre er vekselstrømsignaler som er faseforskjøvet. Ved fortløpende påføring av asymmetriske statorspenninger kan platen da trekkes mot de forskjellige statorene og dermed utføre en fullstendig rotasjon.

Hovedkomponenten i denne motoren er MWNT som fungerer som aksel for rotoren, i tillegg til å overføre de elektriske signalene. Aller viktigst er det likevel at den er kilden til rotasjonsfrihet på grunn av den lave friksjonen til MWNT. Nanorør nanomotorer av denne typen, er på rundt 500 nm tvers gjennom, der de roterende delene er mellom 100–300 nm lange. Karbonnanorøret som brukes som et slags aksel, er ikke mer enn 5-10 nm tykt.

Andregenerasjons karbonnanorørbaserte nanomotorer, utnytter termisk gradient for å skape bevegelse. I slike motorer er to elektroder koblet sammen ved hjelp av et langt MWNT. En gullplate er koblet til et kortere og bredere mobilt nanorør og fungerer som last. Denne lasten kan da bevege seg fram og tilbake som følge av den termiske gradienten i det lengste karbonnanorøret, som igjen skapes av den strømmen som sendes gjennom den. På grunn av den termiske gradienten som eksisterer langs nanorøret vil det være en nettostrøm av fotoniske eksitasjoner som går fra varme regioner mot kjøligere områder. Disse eksitasjonene vil treffe og overføre bevegelsesmengde til det mobile elementet, og som konsekvens av det vil lasten bevege seg mot nærmeste elektrode.

Denne prosessen kan sees på som det motsatte av varmetapet som oppstår i friksjon; når to objekter skyves mot hverandre vil noe av den kinetiske energien gå over til varme. I nanomotorer drevet av termisk gradient vil det derimot kollidere en netto strøm av fotoner med det mobile elementet i systemet, slik at noe av vibrasjonsenergien blir omdannet til kinetisk energi. Avhengig av karbonnanorørparet kan man skape en lineær bevegelse eller en rotasjonsbevegelse, eller en blanding av begge. Disse bevegelsene kontrolleres ved å sette forskjellige temperaturer på endene av det lange nanorøret, med en presisjon på mindre enn diameteren til et atom. Den høyeste hastigheten til en slik motor er målt til å være én mikrometer.

En annen type nanorør nanomotor er den såkalte karbonnanorørvindmøllen, drevet av «elektronvind». Disse motorene består av en dobbelveggede karbonnanorør, der det ytterste røret er koblet til to eksterne elektroder mens det innerste og korteste røret står fritt til å bevege seg og rotere. Navnet elektronvindmøller kommer av at enheten er drevet av en likestrømsspenning mellom elektrodene som produserer en «vind» av elektroner. Når det går strøm, vil elektronstrømmen få en dreieimpuls som produserer en tangentiell kraft som gjør at det indre røret begynner å rotere. Kraften som produseres viser seg å være vesentlig høyere enn friksjonen mellom rørene, noen ganger med så mye som tre størrelsesordener. Avhengig av spenningen kan det roterende indre røret nå hastigheter på opptil 8000 meter per sekund.

Biologiske nanomotorer

Fra biologien er det et stort potensial til både å finne inspirasjon og byggestener til nanomotorer. Først og fremst har naturen funnet en rekke måter å konstruere små motorer på for å utføre alt fra cellers bevegelse, energitransport, muskelsammentrekning og pumping av ulike stoffer gjennom cellemembraner.

Et slikt eksempel er hydrolysen som ATPase gjennomfører i cellene, der den bruker ATP som energikilde til å pumpe ut hydrogenioner (protoner) av cellemembranen. Denne fungerer omtrentlig som en elektrisk rotasjonsmotor, der det sentrale proteinet, F₀, fungerer som en rotor og styres av de elektrokjemiske reaksjonene med molekylets tre protonkanaler. Nanomotorer basert på ATPase har blitt konstruert og kjørt i kontinuerlig drift i flere timer med rent ATP som drivstoff og tenkes blant annet brukt til små kjemiske fabrikker, for eksempel i celler som kan produsere medisiner og slippe disse løs når store nok mengder er produsert.

En annen nanomotor fra naturen som har vært til inspirasjon for flere forskere er flagellene som gjør en rekke bakterier i stand til å bevege seg fremover, og da spesielt flagellene til E. Coli-bakteriene. Disse flagellene forflytter bakteriecellen fremover ved en slags rotasjonsbevegelse og har i senere tid blitt vist å kunne kontrolleres ut fra eksterne stimuli på bakterien, slik som tilgang på næringstoffer eller mangel på sådan.

Det eksepsjonelle ved flagellene er at de ikke er lengre enn rundt 45 nm og kan rotere ved høye frekvenser, opp mot 300 Hz. På mange måter minner flagellene om rotoren bakerst på en ubåt og flagellene er ikke større enn 5 % i forhold til selve bakteriecellen. Med en hastighet på rundt 30 til 60 mikrometer per sekund er dette en svært effektiv motor i forhold til størrelsen.

Rotasjonsretningen til filamentet er styrt av kjemiske påvirkninger på baktericellens membran, altså hvilke molekyler den finner i nærheten. En rotasjon mot klokken vil lede bakterien fremover, mens en rotasjon med klokken vil få bakterien til å snu og bevege seg i en annen retning .

En potensiell fremstilling av slike motorer har vært foreslått gjennom å først isolere proteinene som er ansvarlige for selve rotasjonen, for deretter å foredle dem og fremstille større mengder. Deretter ser man for seg at disse kan automonteres på en fast overflate som imiterer bakteriens cellemembran, for videre å teste motoren ut i praksis .

Molekylære nanomotorer

Den typen molekylære nanomotorer som for første gang ble utviklet av T. Ross Kelly med samarbeidspartnere ved Boston College, er bygd opp av trebladet triptycenerotor som er koblet til en helicenemolekyl med en enkelbinding som fungerer som en aksel. Motoren er i stand til å utføre en enveis 120 graders rotasjon, hvor bevegelsen kan beskrives i fem trinn. Amingruppen på triptycene er først omgjort til en isocyanatgruppe, på grunn av tilværsen av et fosgenmolekyl, COCl₂. Isocyanatgruppen vil bringes nærmere hydroksylgruppen, som følge av termisk rotasjon rundt den sentrale bindingen. Dette fører til reaksjon mellom disse to, og vi får dannet uretan. Denne tilstanden ligger nærmere rotasjonsenergi barrieren, slik at videre rotasjon krever små mengder termisk aktivisering. Helt til slutt blir uretan spaltet tilbake til amin og hydroksyl gruppe.

Denne motoren er et molekyl som ved bruk av kjemisk energi aktiverer og induserer en rotasjonsbevegelse inne i selve molekylet. Den er dermed et godt eksempel på bruk av kjemisk energi til å skape bevegelse, men den har likevel noen svakheter. For det første er bevegelsen ikke spesielt rask, og viktigst av alt kan rotasjonsbevegelsen som er beskrevet over ikke gjentas og sekvensen kan ikke utføres flere ganger. Forsøk på å løse dette problemet og utvide systemet har dessverre ikke vært vellykket så langt og prosjektet har stort sett blitt skrinlagt. Men en utvikling i dette feltet kunne bidratt til en mye større forstålelse av kjemien og fysikken på nanoskala.

Lysstyrte nanomotorer

En av de nyeste typene blant nanomotorer, er lysstyrte nanomotorer. Forskerne har i lang tid forsket på metoder, som gjør det mulig å omgjøre solenergien direkte til mekanisk energi, uten å måtte gå veien om konvertering til varme eller elektrisitet først. Et av de heteste forskningsfeltene innenfor nanomotorer er å nettopp få omformet solenergien direkte til mekanisk energi på nanoskala. I 2006 ble den første av denne typen nanomotor laget. Denne motoren ble konstruert med to separate molekylære komponenter; en «dummbbel»-formet komponent med en lengde på 6 nm og en ringkomponent med diameter på 1.3 nm. Ringkomponenten omringer den første komponenten og er fanget mellom proppene som befinner seg på hver ende av stanga, se figur {fig: rox}.

Det er to punkter på stanga som ringen foretrekker å omringe. Når det da absorberes sollys på en av proppene vil et elektron overføres til et av de to punktene, slik at ringen beveger seg over til det andre punktet. Ringen returnerer til den opprinnelige punktet etter at elektronet sendes tilbake til proppene, og syklusen kan starte på nytt. Bevegelsen utført av motoren er veldig rask og en full syklus utføres på mindre en tusendel av et sekund.

Fremtidige muligheter og utfordringer

En hovedutfordring og fremtidig mulighet er å kunne integrere nanomotorene i større systemer. Dette kan for eksempel være mikroelektromekaniske systemer. I tillegg til de fremtidige mulighetene vi har til å bygge videre på de motorene vi allerede har klart å lage, har vi forsatt et stort forbedringspotensial blant eksisterende menneskeskapte motorer. For selv om man har klart å påvise at nanomotorer kan bygges og er kontrollerbare, er de forsatt ikke i stand til å matche biologiske motorer og motorer på makroskala – blant annet med tanke på effektivitet .