2022년 XNUMX월 목요일, XNUMX개 대륙의 과학자들이 프랑스 툴루즈에 모여 NanoCar Race의 두 번째 에디션에서 경쟁하는 XNUMX개의 국제 분자 경주 팀 중 최고를 선정했습니다.
24년에 한 번 전 세계 모터스포츠 애호가들이 프랑스 북서부, 파리와 낭트 중간 지점에서 만나 거의 500세기에 이르는 장거리 경주의 역사를 지닌 내구력 스포츠카 경주인 르망 24시 레이스를 기념합니다. 더 남쪽으로 XNUMXkm 떨어진 툴루즈에서는 올해 XNUMX월 XNUMX일 두 번째 내구 레이스인 나노카 레이스(NanoCar Race)가 열렸습니다.https://www.memo-project.eu/flatCMS/index.php/Nanocar-Race-II). 24개 대륙의 XNUMX개 학제간 팀이 모여 누가 단일 분자를 XNUMX시간 이내에 가장 먼 거리로 이동할 수 있는지 알아보았습니다.
NanoCar Race II는 은퇴한 전자 현미경의 1.3 MeV 가속기가 있는 툴루즈의 Boule에서 개최되었습니다.
크레딧: CEMES-CNRS F. Maligne
가솔린 대신 주사 터널링 현미경(STM) 끝에서 나오는 전기 펄스가 자동차를 추진합니다. 이 자동차는 약 100개의 원자로 구성되어 있으며 르망의 사촌보다 9배 작은 크기입니다. 활주로에서 5,000km를 달리는 대신 분자 자동차는 금 단결정의 (111) 컷에서 자연적으로 발생하는 헤링본 재구성으로 정의된 슬라롬 경로를 따라 움직입니다. 서로 다른 난이도의 트랙을 따라 우승한 두 팀은 각각 680nm와 1,050nm를 커버했습니다.
그러나 그러한 작은 자동차는 어떻게 조종됩니까? 이 행사의 주최자이자 CEMES-CNRS 연구원인 Christian Joachim은 두 가지 유형의 '엔진'이 나노카를 추진할 수 있다고 설명합니다. 표면을 따라 움직입니다. 두 번째 비탄성 엔진에서 터널링 전자는 분자의 진동에 에너지를 비탄력적으로 제공하여 금 표면의 확산 장벽 위로 '자동차'를 움직입니다. 두 엔진 모두 원자 직경보다 훨씬 낮은 정밀도로 팁의 정확한 위치를 지정해야 합니다. Joachim에 따르면 연소 엔진과 전기 엔진을 모두 사용하는 하이브리드 자동차와 유사한 두 가지 유형의 추진력 조합이 가장 잘 작동합니다. 그는 분자 자동차가 "직진, 좌회전, 우회전 및 장애물 회피와 같은 복잡한 작업"을 얼마나 훌륭하게 수행했는지에 깊은 인상을 받았습니다.
이러한 높은 수준의 제어를 달성하기 위해 우승한 두 팀은 다소 정반대의 디자인 원칙을 결정했습니다. David Écija, Emilio Pérez, Koen Lauwaet이 이끄는 스페인 마드리드 IMDEA Nanociencia의 NANOHISPA 팀은 실제 자동차를 연상시키는 형태로 다소 작은 분자를 합성했습니다. 70개의 원자는 안트라센 섀시와 톨루엔 뒷바퀴와 벤젠 앞바퀴를 형성하기에 충분했습니다. 작은 크기와 추가된 바퀴는 섀시와 금색 표면의 상호 작용을 줄여 트랙을 따라 쉽게 움직일 수 있습니다.
일본 쓰쿠바의 NIMS-MANA 팀은 상호 작용을 줄이는 대신 마찰을 최소화하는 전략을 택했습니다. 팀의 운전사인 Shigeki Kawai는 두 접촉면 사이의 마찰이 극적으로 감소하거나 완전히 사라지는 영역인 초윤활성 개념을 사용했다고 설명합니다. 2016년에 Kawai는 스위스, 독일, 스페인의 동료들과 함께 그래핀 나노리본이 초윤활 상태에서 금 표면 위로 이동할 수 있음을 발견했습니다.1. NanoCar Race II를 위해 그들은 그래핀 나노리본을 연상시키는 화학 구조를 가진 크고 평평한 분자를 설계하고 바퀴를 완전히 전진시켰다. 그들의 자동차는 표면에 강하게 흡착하지만 초윤성 덕분에 매우 작은 확산 장벽을 가질 수 있습니다.
개념에 대한 또 다른 조정은 Tomonobu Nakayama가 이끄는 NIMS-MANA 팀이 경마장에서 직접 차를 조립했다는 것입니다. 그들은 표면 합성을 사용하여 손상 없이 금 표면에 쉽게 증착될 수 있는 더 작고 단순하며 안정적인 전구체 분자로부터 최종 복잡한 분자를 생성했습니다. 이 접근 방식은 분명히 몇 가지 단점이 있지만 그렇게 함으로써 일반적으로 고온 또는 높은 운동 에너지를 수반하는 증착 과정에서 나노카의 분해를 방지했습니다.
표면 과학 커뮤니티에서 표면 합성은 지난 XNUMX년 동안 유행이 되었습니다.2, 깨끗한 환경에서 큰 분자 구조를 구성할 수 있기 때문입니다. 그렇지 않으면 이러한 분자는 손상 없이 표면에 증착되기 어렵거나 어떤 경우에는 삼각형의 경우와 같이 표면이 제공하는 XNUMX차원 구속 없이는 합성조차 불가능합니다.3.
NANOHISPA 팀의 기술 팀장인 Écija는 경쟁에서 무엇을 배웠는지 물었을 때 표면에서 분자를 효율적으로 조작하는 방법에 대해 얻은 통찰력과 이것이 미래의 일상적인 실험실 루틴에서 어떻게 가치가 있을지 언급했습니다. 그런 다음 그는 현대 과학을 위한 봉사 활동의 중요성을 강조하고 “나노에 대한 우리의 열정을 친척과 친구들을 포함한 광범위한 청중에게 전달하는 것이 환상적이었습니다.”라고 말했습니다. 추가할 사항이 없습니다! 생방송을 놓쳤다면 여기에서 툴루즈의 24시간 전체를 시청할 수 있습니다. https://www.youtube.com/watch?v=JRmA7jI_usg.
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툴루즈의 24시간.
Nat. 나노 테크 놀. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01143-y
