Śmigła dla nanorobotów

W czasie eksperymentów, polegających na obserwacji pod mikroskopem cieniutkiej warstwy ciekłego kryształu na powierzchni wody odkryto, że cząsteczki tego kryształu wirują w niezwykły sposób. Samo wirowanie - jak tłumaczył prof. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej PAN - to nic nowego. Obserwowano to zjawisko już wcześniej. Niezwykłe jest to, że udało się zmusić pojedyncze molekuły do ruchu wirowego, który jest bardzo powolny (jeden obrót trwa nawet kilka minut) i jednocześnie bardzo stabilny.

"Spowolnienie rotacji cząsteczek nie jest niczym niezwykłym w ciekłych kryształach złożonych zwykle z tysięcy warstw. W naszych doświadczeniach mamy jednak warstwy monomolekularne i niemal gołym okiem możemy obserwować efekty bardzo wolnego wirowania cząsteczek chemicznych" - podkreślił prof. Hołyst.

To zaskoczyło naukowców, ponieważ spodziewali się, że tak cienka (grubości pojedynczej cząsteczki) warstwa cieczy rozpylona na wodzie nie utrzyma "dyscypliny" i ruch obrotowy zostanie szybko zaburzony przez fluktuacje termiczne.

Sekret tkwi prawdopodobnie w budowie cząsteczek. W doświadczeniu wykorzystano związek chemiczny należący do grupy smektyków C*. Jak wyjaśnił dr inż. Andrzej Żywociński z IChF PAN, normalnie tego typu cząsteczki samoczynnie układają się w warstwy, które są wobec siebie nieco obrócone. "My mamy tylko jedną warstwę, którą można sobie wyobrażać jako las cząsteczek zgodnie nachylonych pod pewnym kątem" - opisywał.

Cząsteczki te są zbudowane z dwóch części - jedna z nich jest przyciągana przez wodę, druga natomiast jest przez wodę odpychana. Dlatego cząsteczki "stoją" na wodzie, unosząc się, podobnie jak robią to wędkarskie spławiki. Część przyciągana przez wodę jest zanurzona, a ta odpychana wystaje ponad powierzchnię.

Wirowanie powstaje dzięki parowaniu cząsteczek wody. Jak tłumaczył Żywociński, gdy cząsteczki wody unoszą się, uderzają w różnej wielkości grupy atomów, połączone w każdej cząsteczce ciekłego kryształu z asymetrycznym atomem węgla. Asymetria powoduje, że wystające nad powierzchnię wody fragmenty cząsteczek ciekłych kryształów działają jak śmigła napędzanego wiatrem wiatraka i cząsteczki zaczynają się obracać.

"Wolno rotujące cząsteczki ciekłych kryształów mogą znaleźć zastosowanie przy budowie nanourządzeń. Można skonstruować cząsteczkę, w której pełniąca rolę śmigła grupa atomów byłaby czymś w rodzaju nanourządzenia napędowego. Stworzylibyśmy wtedy prawdziwy molekularny nanosilnik napędzany strumieniem pary wodnej" - mówił Żywociński. Jak ujawnił, naukowcy pracują obecnie nad możliwością przeniesienia kolektywnego ruchu obrotowego pojedynczych cząsteczek na większe obiekty.