يجتمع عشاق رياضة السيارات من جميع أنحاء العالم مرة واحدة في العام في شمال غرب فرنسا، في منتصف الطريق بين باريس ونانت، للاحتفال بسباق لومان 24 ساعة، وهو سباق سيارات رياضية للقدرة على التحمل وله تاريخ في سباقات المسافات الطويلة يصل إلى قرن تقريبًا. وعلى مسافة 500 كيلومتر إلى الجنوب، في تولوز، في 24 مارس من هذا العام، أُقيم سباق قدرة آخر للمرة الثانية، وهو سباق NanoCar (https://www.memo-project.eu/flatCMS/index.php/Nanocar-Race-II). اجتمعت ثمانية فرق متعددة التخصصات من ثلاث قارات لمعرفة من يمكنه قيادة جزيء واحد لمسافة أكبر خلال 24 ساعة.

وبدلاً من البنزين، تعمل نبضات كهربائية من طرف مجهر المسح النفقي (STM) على دفع السيارات، التي تتكون من حوالي 100 ذرة فقط، وهي أصغر بمقدار 9 مرات من نظيراتها في سباق لومان. وبدلاً من قطع مسافة 5,000 كيلومتر على حلبة مدرج المطار، تتحرك السيارات الجزيئية على طول مسار متعرج، يتم تحديده من خلال إعادة بناء عظمة متعرجة تحدث بشكل طبيعي على القطعة (111) من بلورة ذهبية مفردة. وبعد اتباع مسارات مختلفة الصعوبة، قطع الفريقان الفائزان مسافة 680 ميلًا بحريًا و1,050 ميلًا بحريًا على التوالي.

ولكن كيف يتم توجيه مثل هذه السيارات الصغيرة؟ يوضح كريستيان يواكيم، منظم الحدث والباحث في CEMES-CNRS، أن هناك نوعين من "المحركات" قد يدفعان السيارات النانوية: في المحرك الأول ثنائي القطب، يجذب المجال الكهربائي النبضي المتولد عند قمة طرف STM الجزيء ويحركها على طول السطح. في المحرك الثاني غير المرن، توفر الإلكترونات النفقية الطاقة بشكل غير مرن لاهتزازات الجزيء، مما يؤدي إلى تحريك "السيارة" فوق حاجز الانتشار على سطح الذهب. يتطلب كلا المحركين تحديد موضع دقيق للطرف، بدقة أقل بكثير من قطر الذرة. ووفقا ليواكيم، فإن الجمع بين نوعي الدفع، على غرار السيارة الهجينة التي تستخدم محرك الاحتراق والمحرك الكهربائي، ربما يعمل بشكل أفضل. لقد أُعجب بمدى جودة تنفيذ السيارات الجزيئية "لمثل هذه المهمة المعقدة: السير بشكل مستقيم، ثم الانعطاف يسارًا، ثم الانعطاف يمينًا، وتجاوز العوائق".

لتحقيق هذه الدرجة العالية من التحكم، قرر الفريقان الفائزان اتباع مبادئ تصميم متناقضة إلى حد ما. قام فريق NANOHISPA من IMDEA Nanociencia في مدريد بإسبانيا، بقيادة ديفيد إيسيجا، وإيميليو بيريز، وكوين لاويت، بتصنيع جزيء صغير نوعًا ما بشكل يذكرنا بسيارة حقيقية. وكانت 70 ذرة كافية لتشكيل هيكل من الأنثراسين وعجلات خلفية من التولوين وعجلات أمامية من البنزين. الحجم الصغير وإضافة العجلات، مما يقلل من تفاعل الهيكل مع السطح الذهبي، يتيح سهولة الحركة على طول المسارات.

بدلاً من تقليل التفاعل، اتبع فريق NIMS-MANA ​​من تسوكوبا باليابان استراتيجية الحد الأدنى من الاحتكاك. يوضح شيجيكي كاواي، سائق الفريق، أنهم استخدموا مفهوم التشحيم الفائق، وهو نظام يقلل فيه الاحتكاك بين سطحين متلامسين بشكل كبير أو حتى يختفي تمامًا. في عام 2016، اكتشف كاواي وزملاؤه من سويسرا وألمانيا وإسبانيا أن شرائط الجرافين النانوية يمكن أن تتحرك فوق سطح ذهبي في حالة فائقة التشحيم.¹. بالنسبة لـ NanoCar Race II، قاموا بتصميم جزيء كبير ومسطح بتركيبة كيميائية تذكرنا بأشرطة الجرافين النانوية وعجلات أمامية بالكامل. تمتص سيارتهم بقوة على السطح، ولكن قد يكون لها حاجز انتشار صغير جدًا بفضل التشحيم الفائق.

تعديل آخر للمفهوم كان أن فريق NIMS-MANA، بقيادة تومونوبو ناكاياما، قام بتجميع السيارة مباشرة على مسار السباق. لقد استخدموا التركيب على السطح لإنتاج الجزيء النهائي المعقد من جزيئات أولية أصغر وأبسط وأكثر استقرارًا، والتي يمكن ترسيبها بسهولة على سطح الذهب دون تلف. في حين أن هذا النهج يأتي بالتأكيد مع بعض الجوانب السلبية، فمن خلال القيام بذلك، تم منع تحلل السيارة النانوية أثناء عملية الترسيب، والتي عادة ما تنطوي على درجات حرارة عالية أو طاقة حركية عالية.

في مجتمع العلوم السطحية، أصبح التوليف على السطح أمرًا شائعًا في العقد الماضي²لأنه يسمح ببناء هياكل جزيئية كبيرة في بيئة نظيفة. سيكون من الصعب ترسيب هذه الجزيئات على السطح دون تلف، أو في بعض الحالات، قد يكون من المستحيل تصنيعها بدون الحبس ثنائي الأبعاد الذي يوفره السطح كما في حالة المثلثولين³.

عندما سُئلوا عما تعلموه من المنافسة، ذكر إيسيجا، قائد الفريق الفني لفريق NANOHISPA، الأفكار المكتسبة حول المعالجة الفعالة للجزيئات على الأسطح وكيف سيكون ذلك ذا قيمة في إجراءات المختبر اليومية في المستقبل. ثم أكد على أهمية التواصل مع العلوم الحديثة وأنهى كلامه قائلاً: "كان من الرائع أن ننقل شغفنا بالنانو إلى جمهور عريض، بما في ذلك أقاربنا وأصدقائنا". ليس لدينا ما نضيفه! إذا فاتك البث المباشر، يمكنك مشاهدة 24 ساعة كاملة من تولوز هنا على https://www.youtube.com/watch?v=JRmA7jI_usg.