Hjulet er en av de mest grunnleggende oppfinnelsene i teknologiens historie. Derfor har nanobilen langt større betydning enn bare å være en artig gimmick.

At forskerne nå har gjenoppfunnet hjulet på nanonivå, betyr at nanoteknologene har fått en universaldel som kan brukes til å bygge flere og mer komplekse maskiner.

-Molekyler som viser hjullignende rullende bevegelser burde fremme forståelsen av grunnleggende begreper for nanomaskineri, skriver James Tour og kollegene hans i en artikkel i siste utgave av tidsskriftet Organic Letters.

Her presenterer de nanodragsteren, og forklarer hvordan de har bygget den.

Karbonhjul

Bakhjulene er formet som en kule av 60 karbonatomer i et femkantmønster. Slike nanokuler kalles buckminsterfullerener, eller bare buckeyballs.

Dette er en klassisk form som har stor mekanisk styrke og derfor også blir brukt i store bygninger som radarkupler. Formen er oppkalt etter forskeren og futuristen Richard Buckminster Fuller, som alt i 1949 konstruerte slike kuppelformede bygg.

Hjulene festes til akslinger, som igjen festes til selve karosseriet, som er bare 1,8 milliondels millimeter langt.

Akselbredden er større enn lengden på nanobilen. Dette gjøres ikke for å unngå velt i hårnålssvinger, men rett og slett for å kunne skille bredde- og lengdeaksen på bilen i mikroskopet, slik at man ser at den faktisk ruller i lengderetningen slik den skal gjøre, og ikke bare sklir sidelengs.

Vei av gull

Også tidligere har Tour og kollegene hans bygget biler med slike fulleren-hjul. Den første rullet ut av “nanofabrikken” i 2005, og i fjor høst fikk Tour Feynmanprisen fra den amerikanske tenketanken Foresight Institute for sine nanobiler.

Forskerne har latt nanobilen kjøre på en ”vei” av gull. Gull gir det beste kompromisset mellom veigrep og bevegelighet.

Veigrep i nanoskala betyr svake kjemiske bindinger til underlaget, såkalt adsorpsjon. Er veigrepet for lite, vil nanobilen bare skli i alle retninger. Er veigrepet for stort, vil nanobilen sitte fast i gullveien.

Problemer med fulleren-hjulene er at gullveien må varmes opp til minst 200 grader for at veigrepet ikke skal bli for stort.

Ny type forhjul

Derfor har den nye nano-dragsteren en annen type forhjul som er mindre. De er laget av karboraner, et molekyl som består av karbon, bor og hydrogen.

Disse karboran-forhjulene klistrer seg ikke så hardt fast til underlaget som fulleren-bakhjulene, og gullveien kan derfor holde lavere temperatur.

Nano-dragsteren har ingen motor. For å få den til å kjøre, må den plasseres i et elektrisk felt. Det går an å styre dragsteren ved å endre kjemiske bindinger, slik at akslingen til forhjulene endrer vinkel. Dermed kan den kjøre rett fram eller svinge.

Bygger med mikroskop

Å bygge en nanobil krever svært presise verktøy, og metoder for å se det som bygges. Forskerne bruker tunnelmikroskopet både til å se og bygge. Tunnelmikroskopet består av en svært tynn tråd av metallet wolfram med en spiss på bare ett atoms bredde.

Denne spissen føres bare en nanometer fra objektet som skal undersøkes. Der hvor det er enkeltatomer, løper en liten elektrisk strøm fra objektet til wolframspissen, den såkalte tunneleffekten. Slik kan et bilde av atomene bygges opp ved å scanne over objektet.

Men tunnelmikroskopet kan også brukes til å bygge med atomer, ved å manipulere atomer og molekyler direkte. Karosseriet og akslingene bygges først av organiske molekyler, og så settes de kuleformede hjulene på til slutt.

Kilder

Guillaume Vives, JungHo Kang, Kevin F. Kelly og James M. Tour: Molecular Machinery: Synthesis of a “Nanodragster” , Organic Letters 2009, Vol.11, No.24 5602-5605, abstract
Nanocars and the Development of Molecular Manufacturing. An introduction to the creation of Nanocars at Rice University. (Fra 2007)
Store norske leksikon (om tunnelmikroskop)