Гонка нанокаров
Научный конкурс

Nanocar Race — это международное научное соревнование, целью которого является проверка эффективности перемещения большой молекулы, подвешенной над твердой поверхностью, на максимальное расстояние с использованием сканирующего туннельного микроскопа .

Первая гонка состояла из преодоления дистанции в 100 нанометров и впервые прошла в Тулузе 28 и 29 апреля 2017 года. Вторая гонка прошла в 2022 году, и победители преодолели несколько сотен нанометров.

История

Предложение Nanocar исследовательской группы Джеймса Тура в Университете Райса (2005). Колеса сделаны из фуллеренов (C 60 ).

Идея гонки была сформулирована учеными Кристианом Иоахимом и Гвенаэль Рапенн  [фр] в Тулузе , Франция, в январе 2013 года в журнале ACS Nano . [1] Был объявлен прием заявок, чтобы дать участвующим командам время подготовить подходящие наноавтомобили. [1] Гонка была официально анонсирована Французским национальным центром научных исследований (CNRS) в ноябре 2015 года в Тулузе во время Futurapolis1. [2] На этом мероприятии пять команд представили свои проекты прототипов 27 ноября 2015 года. [3]

Первая в мире гонка такого типа [4] между четырьмя автомобилями началась 28 апреля 2017 года [5] на CEMES-CNRS в Тулузе [6] и длилась 36 часов. Организаторы из Тулузы также договорились о соревновании еще двух автомобилей, которые затем будут управляться дистанционно через Интернет из гоночного зала CEMES-CNRS на микроскопе их собственной лаборатории. Это касается автомобилей из Огайо и Грац-Райс.

Соревнование

Трек

Пример сканирующей туннельной микроскопии поверхности золота. Гребни используются в качестве дорожек для нанокаров.

Трасса первого соревнования представляет собой золотую поверхность, снабженную канавками для определения гоночных полос, чтобы избежать потери транспортных средств. Она имеет длину около 100 нанометров и включает два изгиба. [6] Она расположена в небольшом корпусе, охлажденном до -269 °C под первичным вакуумом 10 −10 мбар, и одновременно наблюдается четырьмя сканирующими туннельными микроскопами (СТМ) [6], миниатюризированными для этого события и работающими на той же поверхности. Каждый микроскоп отвечает за управление одним транспортным средством (одним наноавтомобилем).

В ходе этого соревнования наноавтомобили должны были проехать как можно дальше по золотой трассе в течение 36-часовой гонки. Ожидалась скорость 5 нанометров в час. [7]

Нанокары

Наномашины — это новый класс молекулярных машин, которые могут катиться по твердым поверхностям в структурно определенном направлении. [8] Это молекулы, в основном состоящие из нескольких десятков или сотен атомов водорода и углерода , и их размеры составляют от одного до трех нанометров .

Нанокар приводится в движение шаг за шагом электрическими импульсами и переносом электронов с кончика СТМ. Результирующий туннельный ток протекает через нанокар между кончиком микроскопа и общей металлической дорожкой. Прямого механического контакта с кончиком нет. Поэтому нанокар не толкается и не деформируется кончиком микроскопа во время гонки. Некоторые из электронов, проходящих через нанокар, высвобождают энергию в виде небольших внутримолекулярных колебаний, которые активируют двигатель нанокара.

Например, наноавтомобиль команды NANOHISPA был разработан с шасси на основе антрацена и четырьмя ароматическими кольцами, которые слегка приподнимают его над поверхностью Au(111). Молекула дистанционно управляется контролируемым образом за счет ее притяжения к наконечнику STM, которое возникает из-за электрического диполя, индуцированного электронами, протекающими через ее молекулярную структуру при подаче напряжения. [9]

Издания

Гонка нанокаров 2017 I

Команды

Результаты

Гонку на золотом покрытии выиграла швейцарская команда, которая первой пересекла финишную черту, преодолев расстояние в 133 нанометра. [10]

На серебряной поверхности автомобиль австрийско-американской команды из Университета Райса и Университета Граца установил первый рекорд скорости с пиковой скоростью 95 нанометров в час [11] и был оценен наравне со швейцарской командой, которая гонялась на золотой поверхности, учитывая, что движение того же наноавтомобиля на серебряных поверхностях медленнее, чем на золотых. [12] Этот автомобиль управлялся дистанционно из гоночного зала Тулузы на микроскопе Университета Граца. [ необходима цитата ] Особые свойства химической структуры, а также совершенно новая техника манипуляции (без трудоемких этапов визуализации) сделали этот наноавтомобиль очень быстрым. [13] Эти свойства даже позволили ему преодолеть расстояние более 1000 нм после завершения официальной гоночной трассы.

Американская команда из Университета Огайо повернула назад без видимых причин через 20 нанометров, немецкая команда сломала 2 автомобиля, не имея возможности продолжить гонку, а японская команда в итоге сдалась. [11] Французская команда потеряла из виду свой автомобиль на его поверхности и также была вынуждена сойти с дистанции, утешая себя символическим призом «самого элегантного автомобиля в соревновании». [11]

Гонка нанокаров 2022 года II

Команды[14][15]

Результаты

NANOHISPA и NIMS-MANA ​​заняли первые места, обе проделали около 54 поворотов и преодолели 678 нм и 1054 нм соответственно. Первая продемонстрировала смену полосы для проезда эстакады, а вторая пересекла траншею и вернулась обратно. StrasNanocar заняла третье место, преодолев 476 нм и выполнив 28 поворотов. [15]

Научный интерес

Среди преимуществ CNRS называет разработку молекулярных двигателей и Tech-Atoms, которые в будущем позволят подготовить квантовые электронные схемы на поверхности изолятора, атом за атомом, чьи расчетные части будут иметь размеры менее 1 нм. Чтобы сделать такую ​​гонку возможной, необходимо было заранее решить значительное количество проблем, таких как выбор дорожки и ее подготовка, улучшение устройств контроля и управления, в частности чувствительности измерений тока, испарение большого количества очень разных молекул на одной поверхности и проверка микроскопа. [16]

Ссылки

  1. ^ ab Joachim, Christian; Rapenne, Gwénael (2013-01-22). «Molecule Concept Nanocars: Chassis, Wheels, and Motors?». ACS Nano . 7 (1): 11– 14. doi :10.1021/nn3058246. ISSN  1936-0851.
  2. ^ «Гонка NanoCar: lacourse de petites voitures pour grands savants» [Гонка NanoCar: гонка маленьких автомобилей для великих ученых]. La Dépêche du Midi (на французском языке). 30 ноября 2017 г. . Проверено 2 декабря 2018 г.
  3. ^ «NanoCar Race, la première Course Internationale de molécules-voitures» [NanoCar Race, первая международная гонка молекул-автомобилей]. Национальный центр научных исследований . 24 ноября 2015 года . Проверено 2 декабря 2018 г.
  4. ^ Кастельвекки, Давиде (2017). «Водители готовятся к первой в мире гонке наноавтомобилей». Nature . 544 (7650): 278– 279. Bibcode :2017Natur.544..278C. doi : 10.1038/544278a . PMID  28426017.
  5. ↑ Донован Тибо (29 апреля 2017 г.). «La NanoCar Race, Course de l'infiniment petit pour de giga-défis» [Гонка NanoCar, курс бесконечного малого для гига-дефи]. Л'Экспресс . Проверено 2 декабря 2018 г.
  6. ^ abc «Des nanovoitures bientôt en piste pour une Course Car» [Наномашины скоро выдвинутся на трассу для автогонок] (на французском языке). Агентство Франс-Пресс . 28 апреля 2017 года . Проверено 2 декабря 2018 г. - через Le Point .
  7. ^ Эрван Лекомт (6 апреля 2017 г.). "Гонка нанокаров: старт в 10:45 на гонке молекул". sciencesetavenir.fr (на французском) . Получено 2 декабря 2018 г.
  8. ^ J. AM. CHEM. SOC. 9, 128,14, 2006, 4857
  9. ^ Барраган, Ана; Николас-Гарсия, Томас; Лауват, Коэн; Санчес-Гранде, Ана; Ургель, Хосе И.; Бьорк, Йонас; Перес, Эмилио М.; Эсиха, Дэвид (2023). «Проектирование и создание минималистичного углеводородного нанокарбона на Au (111)». Angewandte Chemie, международное издание . 62 (6): e202212395. дои : 10.1002/anie.202212395. ISSN  1521-3773.
  10. ↑ Жюльен Лоссон (1 мая 2017 г.). «NanoCar-Race: La Suisse remporte la première Course de voitures moléculaires» [NanoCar-Race: Швейцария выигрывает первую гонку на молекулярных автомобилях]. Нумерама (на французском языке) . Проверено 2 декабря 2018 г.
  11. ↑ abc Эрван Лекомт (2 мая 2017 г.). «Гонка нанокаров: Un bolide moléculaire laisse ses concurrents sur Place» [Гонка нанокаров: молекулярный гоночный автомобиль оставляет конкурентов на месте]. sciencesetavenir.fr (на французском языке) . Проверено 2 декабря 2018 г.
  12. ^ "Classement officiel" [Официальная классификация]. nanocar-race.cnrs.fr (на французском). 2018. Получено 2 декабря 2018 г.
  13. ^ Симпсон, Грант Дж.; Гарсия-Лопес, Виктор; Петермайер, Филипп; Грилл, Леонард; Тур, Джеймс М. (2017). «Как построить быстрый наноавтомобиль и участвовать в гонках» [GJ Simpson et al., Nature Nanotech. 12, 604 (2017)]. Nature Nanotechnology . 12 (7): 604– 606. Bibcode : 2017NatNa..12..604S. doi : 10.1038/nnano.2017.137. PMID  28681857.
  14. ^ "Вторая гонка NanoCar началась хорошо". CNRS News . Получено 29.03.2022 .
  15. ^ ab Schledowetz, Juri. "Nanocar Race II - MEMO Project". www.memo-project.eu . Получено 29.03.2022 .
  16. ↑ Жюльен Лоссон (28 апреля 2017 г.). «NanoCar-Race: Tout savoir sur la Course de Machines moléculaires» [NanoCar-Race: все о гонках молекулярных машин]. Нумерама (на французском языке) . Проверено 2 декабря 2018 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Гонка_нанокаров&oldid=1271918407"