Η μικρότερη μηχανή στον κόσμο τροφοδοτείται με φως. The World's Tiniest Light-Powered Engines Could Revolutionize Medicine

Η νέα νανομηχανή, με την ονομασία ΑΝΤ (Actuating Nano-Transducer) ή «Μυρμήγκι», μπορεί να κινηθεί τρομερά γρήγορα και να ασκήσει μεγάλες δυνάμεις, πολύ μεγαλύτερες από άλλες μικροσκοπικές συσκευές. Just a few billionths of a metre in size, the world's tiniest engine (illustrated) uses light to power itself and works at scales smaller than a human cell. The nanoscale engine could form the basis of nano-machines that can navigate in water, sense the environment around them, or even enter living cells to fight disease. Image: Yi Ju/university of Cambridge Nanophotonics

Ερευνητές στη Βρετανία δημιούργησαν τη μικρότερη μηχανή στον κόσμο, μεγέθους μόλις λίγων νανομέτρων (δισεκατομμυριοστών του μέτρου), η οποία τροφοδοτείται με φως λέιζερ και κινείται σαν έμβολο.

Still from Fantastic Voyage (1966)

Η νανομηχανή μπορεί μελλοντικά, μεταξύ άλλων, να αξιοποιηθεί στην ιατρική νανορομποτική, για να κινεί μικροσκοπικά ρομπότ (νανομπότ), που θα εισχωρούν ακόμη και στα ανθρώπινα κύτταρα για να καταπολεμούν τις ασθένειες. Άλλες πιθανές εφαρμογές είναι νανομηχανές που θα κινούνται στο νερό ή σε άλλα υγρά και θα αντιλαμβάνονται το περιβάλλον γύρω τους, λειτουργώντας ως κινούμενοι αισθητήρες.

Οι ερευνητές του Κέντρου Νανοφωτονικής του ιστορικού Εργαστηρίου Κάβεντις του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, με επικεφαλής τον καθηγητή Τζέρεμι Μπάουμπεργκ, έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ (PNAS).

When the 'actuating nano-transducers', or Ants, engine is heated with a laser, the polymer gel expels water and collapses. This forces gold nanoparticles to bind together (pictured). When the laser is turned off, the device cools and water is re-absorbed. This pushes the gold nanoparticles apart, releasing the stored energy .

Η μηχανή αποτελείται από φορτισμένα νανοσωματίδια χρυσού, προσδεμένα μεταξύ τους με ένα πολυμερές υλικό σε μορφή γέλης που λέγεται pNIPAM και το οποίο είναι πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές της θερμοκρασίας. Όταν το υλικό αυτό θερμαίνεται με φως λέιζερ, τότε μέσα σε κλάσμα του δευτερολέπτου αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες ελαστικής ενέργειας, καθώς αποβάλλει όλο το νερό από τη γέλη και συρρικνώνεται, με συνέπεια τα νανοσωματίδια χρυσού να προσκολλώνται σφιχτά μεταξύ τους.

Όταν όμως αντίθετα η συσκευή ψύχεται κάτω από τους 32 βαθμούς Κελσίου, το πολυμερές απορροφά νερό και φουσκώνει, με αποτέλεσμα -όπως σε ένα ελατήριο- τα νανοσωματίδια να απωθούνται απότομα μακριά το ένα από το άλλο, δημιουργώντας μια προωθητική δύναμη. Καθώς η θερμοκρασία αυξομειώνεται, η νανομηχανή κινείται σαν έμβολο.

Όπως δήλωσε ο ερευνητής δρ Τάο Ντινγκ, «είναι σαν μια έκρηξη, καθώς εκατοντάδες χρυσά σφαιρίδια απομακρύνονται απότομα το ένα από το άλλο μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, όταν τα μόρια του νερού φουσκώνουν τα πολυμερή υλικά γύρω τους».

«Γνωρίζουμε ότι το φως μπορεί να θερμάνει το νερό για να κινήσει τις ατμομηχανές. Τώρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φως για να κινήσουμε μια μηχανή σαν «πιστόνι» σε νανοκλίμακα» ανέφερε ο ερευνητής δρ Βεντσισλάβ Βάλεβ.

The Ant engine is bio-compatible, cheap to make, and energy efficient. The researchers make use of Van de Waals attraction of heavy metal particles to set the springs (polymers) and water molecules to release them, which is very reversible and reproducible. The rising temperatures and release of energy is.

Η νέα νανομηχανή, με την ονομασία ΑΝΤ (Actuating Nano-Transducer) ή «Μυρμήγκι», μπορεί να κινηθεί τρομερά γρήγορα και να ασκήσει μεγάλες δυνάμεις, πολύ μεγαλύτερες από άλλες μικροσκοπικές συσκευές. Η ανά μονάδα βάρους ισχύς της είναι σχεδόν 100 φορές μεγαλύτερη από οποιασδήποτε άλλης μηχανής ή μυός. Είναι επίσης βιοσυμβατή, οικονομική στην παραγωγή της και ενεργειακά αποδοτική.

«Όπως τα πραγματικά μυρμήγκια, οι νανομηχανές ΑΝΤ παράγουν μεγάλη ισχύ σε σχέση με το βάρος τους. Η πρόκληση πλέον που αντιμετωπίζουμε, είναι πώς να ελέγξουμε αυτή την ισχύ για νανομηχανικές εφαρμογές», δήλωσε ο Μπάουμπεργκ.

Είπε ακόμη ότι το οριακό σημείο λειτουργίας της μηχανής θα μπορούσε να αναπροσαρμοσθεί από τους 32 στους 37 βαθμούς Κελσίου (όσο η θερμοκρασία του ανθρωπίνου σώματος), καθώς επίσης να αναζητηθεί μια εναλλακτική πηγή θερμότητας πέρα από το φως λέιζερ.

Οι ερευνητές ήδη συνεργάζονται με την Cambridge Enterprise, τον επιχειρηματικό «βραχίονα» του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, καθώς και με άλλες εταιρείες, προκειμένου να προχωρήσουν σε εμπορική αξιοποίηση της εφεύρεσής τους.