Denník N

Prvé preteky nanoáut vyhralo vozidlo zložené zo 43 atómov

Tobias Meier (vľavo) a Remy Pawlak (obaja z univerzity v Bazileji) pred skenovacím tunelovacím mikroskopom vo svojom laboratóriu držia trofej z prvých pretekov nanoáut. Foto – Martina R. Hestericová
Tobias Meier (vľavo) a Remy Pawlak (obaja z univerzity v Bazileji) pred skenovacím tunelovacím mikroskopom vo svojom laboratóriu držia trofej z prvých pretekov nanoáut. Foto – Martina R. Hestericová

Vo francúzskom Toulouse sa koncom apríla konali preteky na nanoškále. Na dráhe dlhej 100 nanometrov pretekali vozidlá menšie ako 100 atómov.

Viete, čo sú „preteky nanoáut“?

Ide o preteky molekúl manipulovaných pomocou špičkového mikroskopu. Súťaž sa odohrala koncom apríla vo francúzskom Toulouse na Inštitúte CEMES (Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Études Structurales) a konala sa vôbec po prvý raz.

Šesť tímov z troch rôznych kontinentov spolu pretekalo na dráhe dlhej iba 100 nanometrov, čo je tisíckrát menej ako hrúbka ľudského vlasu.

Súťažilo sa na povrchu zo zlata a vozidlá boli zložené iba z niekoľkých atómov.

Absolútnym víťazom pretekov sa stal švajčiarsky tím fyzikov z univerzity v Bazileji, ktorí so svojím vozidlom nazvaným Swiss Nano Dragster prekonali vzdialenosť 133 nanometrov za 6 a pol hodiny.

Boli sme sa pozrieť do ich laboratória.

Využitie teórie v praxi

„Naša výskumná skupina už mala skúsenosti s manipuláciou molekúl na povrchoch. Keď sme sa dozvedeli, že sa bude organizovať súťaž, mysleli sme si, že by sme mohli mať slušnú šancu vyhrať,“ vysvetlil Tobias Meier, doktorand na univerzite v Bazileji a jeden z vodičov víťazného nanovozidla, prečo sa vedci do súťaže zapojili.

Molekuly, ktoré sa mali na povrchu zo zlata presúvať po vymedzenej ploche, neobsahovali motor. Poháňali ich krátke impulzy (tok elektrónov) z hrotu skenovacieho tunelového mikroskopu (STM).

Každý jeden impulz posunul molekulu približne o 0,3 nanometra.

Pretekárska trasa bola dlhá sto nanometrov a obsahovala dve 45 ° zákruty. Foto – unibas.ch

Vedci museli manipulovať s molekulami na systéme, na ktorom bežne nepracujú. Víťazný tím navštívil Toulouse dvakrát pred pretekmi a pred začiatkom strávil vo francúzskych laboratóriách celý týždeň, aby trénovali na francúzskom mikroskope.

„Ak by sme použili náš vlastný mikroskop, boli by sme ešte rýchlejší,“ priblížil Remy Pawlak, druhý člen víťazného tímu. „Fyzika a chémia prebiehajúcich procesov je síce rovnaká, no existuje množstvo premenných, ktoré vplývajú na výsledok,“ dodal.

Pretekárska dráha pozostávala z dvoch 45° zákrut, medzi ktorými sa nachádzali rovné úseky dlhé desiatky nanometrov. Po bokoch bola dráha lemovaná rôznymi prekážkami a zátarasami, ktoré mali skomplikovať manipuláciu molekúl a priniesli so sebou riziko havárií.

Oficiálne pravidlá pretekov nanoáut:

  • Trasa: 20 nanometrov + 45 ° zákruta + 30 nanometrov + 45 ° zákruta + dojazd do cieľa, celkovo 100 nanometrov
  • Maximálne trvanie pretekov: 36 hodín
  • Tímy majú povolenú výmenu vozidla v prípade nehody
  • Fyzické tlačenie vozidla je zakázané
  • Každý tím má pridelený jeden sektor na povrchu zo zlata
  • Počas 36 hodín pretekania nie je dovolená žiadna výmena hrota mikroskopu

Nanohavárie

„Havárií sme zažili niekoľko, auto sme museli vymeniť až štyrikrát,“ opísal so smiechom Meier. „Väčšinou sa to stalo tak, že molekula preskočila na hrot mikroskopu a stratila sa. Dvakrát sme s hrotom narazili až do povrchu, aj vtedy sme stratili molekulu.“

„Dva dni pred pretekmi sme si vyčistili dráhu a mali možnosť umiestniť náhradné vozidlá pozdĺž našej dráhy. Organizátori rátali s tým, že tímy budú počas závodov strácať autá a budú ich musieť nahradiť,“ dodal Pawlak.

Počas pretekov boli v každom tíme aktívni obaja fyzici. Jeden plnil úlohu vodiča (manipulácia molekulou pomocou STM mikroskopu), zatiaľ čo druhý bol navigátorom (kontroloval smerovanie molekuly). Po približne 30 minútach sa vystriedali.

Jeden zo zúčastnených tímov napokon dokončil závod rýchlejšie ako tím z Bazileja. Tím z rakúskeho Grazu však súťažil na diaľku pomocou vlastného prístroja. Pretekali na inom povrchu (striebro) ako ostatní súťažiaci, ich dráha navyše neobsahovala zákruty ani prekážky. Výsledok, ktorý dosiahli, preto nie je porovnateľný s výkonom ostatných tímov.

„Je to, akoby ste porovnávali Formulu 1 a rely preteky. Môžete tvrdiť, že Formula 1 bude rýchlejšia, no jazdná dráha je perfektná, bez akýchkoľvek prekážok, ktoré by znižovali rýchlosť. Preteky na zlatom povrchu boli viac ako rely – s brázdami, kopcami a prudkými zákrutami,“ vraví Pawlak.

Takto vyzerá Swiss Nano Dragster, víťazné vozidlo prvých pretekov nanoáut. Foto – unibas.ch

Krása nie je všetko

Dizajn molekúl, s ktorými súťažili ostatné tímy fyzikov, sa výrazne líšil od toho víťazného. Molekuly boli v porovnaní s vozidlom Nano Dragster väčšie a pripomínali skutočné vozidlo (mali časti pripomínajúce kolesá, volant aj podvozok).

Molekulu, s ktorou pretekali Meier a Pawlak, navrhli chemici tak, aby mala s povrchom kontakt iba v jednom bode, čím sa znížilo trenie.

„Molekulu sme si vybrali na základe možných interakcií s povrchom. Iné tímy, ktoré tvorili prevažne chemici, sa zamerali najmä na vzhľad molekuly, nie nevyhnutne na možnosť jej manipulácie prostredníctvom STM,“ vysvetlil Meier.

Pawlak dodal: „O správnom dizajne molekuly sa chemici potrebujú rozprávať s fyzikmi a naopak. Spolupráca je tu veľmi dôležitá.“

Detail trofeje. Foto – Martina R. Hestericová

Nejde len o prestíž

Pawlak a Meier si z Francúzska odniesli trofej, ktorá sa stala súčasťou laboratória. Samotné preteky však predstavujú iba zlomok omnoho komplikovanejšieho projektu manipulácie molekúl na povrchu.

„Napríklad v Toulouse plánujú z jedinej molekuly pripraviť nanotranzistor. V našej výskumnej skupine momentálne pracujeme na kvantových témach, v ktorých molekulami manipulujeme, aby sme pripravili rôzne funkčné štruktúry. Aspekt manipulácie je preto pre náš výskum veľmi dôležitý,“ vysvetlil Pawlak.

Meier povedal, že manipulácia molekúl na povrchu bude súčasťou jeho dizertačnej práce.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Technológie

Veda

Teraz najčítanejšie