دانشمندان چرخ‌دنده مولکولی ساختند که با نور هدایت می‌شود

برای ساخت وسایل پیشرفته‌ای مثل لپ‌تاپ، تلفن هوشمند و ربات‌های ریز، باید اجزا و قطعات الکترونیکی یا مکانیکی آن‌ها تا جای ممکن کوچکتر و پیچیده‌تر باشند. برای مثال، ریزپردازنده‌های موجود در گوشی‌ها و رایانه‌های امروزی میلیاردها ترانزیستور دارند که در مقیاس نانو کنار هم چیده شده‌اند. ربات‌های ریزی هم که برای ماموریت‌های خاص طراحی می‌شوند، قطعات مکانیکی بسیار ریزی دارند که باید درست مانند نمونه‌های بزرگترشان دقیق و درست کار کنند تا ربات ماموریتش را درست انجام دهد.

امروزه پژوهش‌ها به‌سمت  نانوقطعه‌ها معطوف شده است و مهندسان می‌کوشند سوئیچ‌ها، موتورهای کوچک و چرخانه‌ها یا اصطلاحا روتورهایی بسازند که تنها از چند اتم تشکیل شده‌اند و ابعادشان نانومتری است. چنین قطعاتی را اصطلاحا ماشین‌های مولکولی می‌نامند. در همین راستا گروهی از پژوهشگران دانشگاه FAU چرخ‌دنده بسیار ریزی ساخته‌اند که می‌گویند کوچکترین چرخ‌دنده دنیاست و با مصرف انرژی کار می‌کند و هدایت می‌شود و لذا نوعی قطعه مولکولی فعال (active) محسوب می‌شود. [ماشین‌های مولکولی فعال با جذب انرژی از منبع خارجی کار می‌کنند. اما ماشین‌های مولکولی غیرفعال (passive) تحت تاثیر اختلاف انرژی موجود در محیط‌شان عمل می‌کنند و برای مثال، از فضای پرانرژی به فضای کم‌انرژی حرکت می‌کنند.]

ساخت قطعات کوچک‌ در چنین مقیاسی، یک مزیت دیگر نیز دارد و آن این‌که با استفاده از آن‌ها می‌توان تجهیزات و دستگاه‌های دقیق‌تری ساخت.

در حال حاضر سوئیچ‌ها، چرخانه‌ها، انبرک‌ها، بازوهای رباتیک و حتی موتورهای نانویی تولید و عرضه می‌شوند. اما چرخ‌دنده نیز قطعه مهمی است زیرا تقریبا در هر نوع ماشینی کاربرد دارد و با کمک آن می‌توان جهت و سرعت حرکت ماشین را تغییر یا حرکت بخشی از ماشین را به بخش دیگرش انتقال داد،  و حتی یک حرکت را به حرکت دیگری تبدیل کرد. برای مثال، دور موتور با کمک همین چرخ‌دنده‌ها به چرخ‌های خودرو منتقل می‌شود و آن‌را به حرکت درمی‌آورد. دانشمندان و مهندسان قبلا نیز نانوچرخ‌دنده‌‌ ساخته بودند اما آنها چون به‌روش غیرفعال (passive) به چرخش درمی‌آمدند، برای ماشین‌های مولکولی چندان مناسب نبودند.

اما چرخ‌دنده مولکولی جدید که گروهی از محققان دانشگاه FAU به سرپرستی استاد هرنی داب آن‌را ساخته‌اند، به‌صورت فعال یعنی با اعمال انرژی از بیرون کار می‌کند. ضخامت این چرخ‌دنده فقط 1.6 نانومتر یعنی 50.000 بار کمتر از ضخامت یک تارموی انسان و لذا در نوع خود، کوچکترین است.

چرخ‌دنده مذکور دو جزء دارد که با هم در ارتباطند و کلاً از 71 اتم تشکیل شده‌اند. یکی از این دو جزء مولکول تریپتیسین (triptycene) است که ساختارش شبیه ملخ هواپیما یا چرخ‌بیل است (بخش خاکستری در تصویر). جزء بعدی قطعه مولکول مسطحِ تیویندیگو (thioindigo) است که به صفحه مسطح کوچکی شباهت دارد (بخش طلایی در تصویر). با 180 درجه چرخش این صفحه، ملخ فقط 120 درجه می‌چرخد؛ یعنی نسبت چرخش آن‌ها به‌هم 2 به 3 است.

این نانوچرخ‌دنده توسط نور هدایت می‌شود، یعنی نوعی چرخ‌دنده مولکولی نوری (molecular photogear) است. هدایت این نانوقطعه با انرژی نور سبب می‌شود تا چرخش صفحه و ملخ کاملا هماهنگ باشد.

محققان ابتدا خواستند که این چرخ‌دنده را فقط با اعمال گرما به چرخش بیاندازند. اما وقتی برای این منظور، محلول اطراف چرخ‌دنده را در تاریکی گرم کردند، صفحه ثابت ماند و ملخ چرخید. نهایتا محققان دریافتند که برای هدایت این نانوچرخ‌دنده باید از منبع نور فعال استفاده کنند.