Statisk elektricitet kan styra ballong i nanoformat

Maskiner i molekylstorlek skulle i framtiden kunna användas till att styra viktiga processer i kroppen. I en aktuell studie visar forskare vid Umeå universitet och University of California, Berkeley, hur en nanoballong som består av en enda kolmolekyl och är ungefär en tiotusendel så tjock som ett hårstrå med hjälp av statisk elektricitet kan styras till att övergå från ett kollapsat till ett utvidgat tillstånd och vice versa.

Uppblåsbara ballonger och kuddar används flitigt i vardagliga tillämpningar, till exempel för att lyfta byggnader efter jordbävningar, som krockkuddar i bilar, eller för att utvidga blockerade eller trånga vener och artärer. På mikroskopisk nivå används de som mikropumpar och i naturen skapar hoppspindlar en slags vätskefyllda kuddar i mikroformat som ger benen explosiv kraft när de hoppar.

På nanonivå är dock liknande typer av ballonger i stort sett okända. För ett par år sedan föreslog forskare vid Penn State University, USA, i en teoretisk studie hur en nanoballong skulle kunna designas genom att elektrostatiskt styra ett kolnanorör mellan ett utvidgat och ett kollapsat tillstånd.

Nu har idén för första gången förverkligats experimentellt. I en studie publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nano Letters visar Hamid Reza Barzegar och medarbetare hur ett kolnanorör, en cylindrisk tub bestående av kolatomer, kan kontrolleras till att övergå från ett kollapsat tillstånd till ett utvidgat, uppblåst tillstånd genom att man lägger på en elektrisk spänning på några volt. Eftersom ett kolnanorör har en väldigt stabil struktur bör en sådan komponent kunna fungera under väldigt lång tid utan att försämras, konstaterar forskarna. De visar också i sitt experiment att ballongen fungerar praktiskt genom en rad övergångar mellan det utvidgade och det kollapsade tillståndet.

– Studien är konceptuellt intressant och ger en inblick i komplexiteten i att kontrollera rörelser på nanonivå, säger Hamid Barzegar, doktor i fysik vid Umeå universitet, och som nu är verksam vid UC Berkeley i professor Alex Zettl’s forskargrupp. Den ger också kunskap på grundläggande nivå om hur exempelvis kapacitansen och ytladdningen hos en molekyl kan modelleras och kontrolleras och hur dessa egenskaper påverkar molekylens struktur och stabilitet.

– I ett längre perspektiv kan man också tänka sig att vår upptäckt kan användas för pneumatisk kontroll på molekylär skala eller för att designa molekylära behållare som kan öppnas eller stängas genom att kontrollera molekylens ytladdning, till exempel genom att ändra pH-värdet på vätskan där molekylen finns löst. Det här skulle exempelvis kunna användas för medicinska tillämpningar för att leverera medicin till organ inne i kroppen, säger Thomas Wågberg, docent vid Umeå universitet.

Originalartikel:
Hamid Reza Barzegar, Aiming Yan, Sinisa Coh, Eduardo Gracia-Espino, Gabriel Dunn, Thomas Wågberg, Steven G. Louie, Marvin L. Cohen, and Alex Zettl, Electrostatically Driven Nanoballoon Actuator, Nanoletters, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02394

Bildtext: Schematisk bild över två kolnanorör, ett i uppblåst tillstånd (cylindriska tuben till höger) och ett i kollapsat tillstånd (platta tuben till vänster). Övergången mellan de två tillstånden kan kontrolleras genom att man lägger på en liten spänning som laddar upp tuben med statisk elektricitet och därigenom får den att utvidga sig. Den pålagda spänningen visualiseras genom två punktkontakter som vidrör varje tub. På bilden är de två kolnanorören fästa mot två pistonger för att åskådliggöra hur fasändringen mellan de två tillstånden skulle kunna sätta en tänkt nanomaskin i rörelse.

För mer information, kontakta gärna:

Hamid Barzegar, postdoktor, institutionen för fysik, Umeå universitet och UC Berkeley, USA
Telefon: +15108595097
E-post: hamid.Barzegar@umu.se

Thomas Wågberg, docent, institutionen för fysik, Umeå universitet
Telefon: 090-786 59 93
E-post: thomas.wagberg@umu.se

Pressbilder för nedladdning