為了有效地利用分子馬達(dá)，它們需要能夠一致地操作。然而，將數(shù)十億這些納米尺寸的電動(dòng)機(jī)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，并使它們一致運(yùn)行已被證明是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。格羅寧根大學(xué)的有機(jī)化學(xué)家現(xiàn)已成功地將眾多單向光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)集成到金屬有機(jī)框架(具有3D籠狀結(jié)構(gòu)的固體材料)中。

光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)最初是由格羅寧根大學(xué)的有機(jī)化學(xué)家Ben Feringa創(chuàng)造的。Feringa教授和另外兩人分享了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)這一發(fā)現(xiàn)。各種類型的納米級(jí)分子馬達(dá)的組已經(jīng)附著到表面上并且結(jié)合到凝膠，液晶和肌肉樣纖維中，在那里它們可以通過(guò)協(xié)同作用在宏觀尺度上進(jìn)行工作。然而，到目前為止，用三維固態(tài)材料制造這些電機(jī)的有序陣列仍然是我們無(wú)法掌握的。

水晶

由Ben Feringa，Sander Wezenberg助理教授和Wesley Browne教授領(lǐng)導(dǎo)的格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)接受了這一挑戰(zhàn)。他們現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出一個(gè)工作系統(tǒng)，每個(gè)立方厘米包含3 x 1020(三個(gè)后跟二十個(gè)零)光驅(qū)動(dòng)單向旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它們?nèi)恳恢逻\(yùn)行。

科學(xué)家們將這些發(fā)動(dòng)機(jī)安置在金屬有機(jī)框架(MOFs)中，這是一種分子籠，由金屬制成，具有互連的有機(jī)分子“支柱”。這些分子籠的有序3D堆棧形成晶體。一旦他們培養(yǎng)了這些晶體，研究小組就用一種稱為溶劑輔助接頭交換的過(guò)程用運(yùn)動(dòng)分子取代了垂直支柱。不可能在較早階段插入電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗鼈儾荒艹惺芎铣蒑OF所需的條件。

支柱

分子馬達(dá)的定子部件用作保持架的支柱，而轉(zhuǎn)子部件在保持架內(nèi)保持自由。保持架設(shè)計(jì)得足夠大，使電動(dòng)機(jī)可以自由運(yùn)行，不受阻礙。電機(jī)本身通過(guò)用紫外光照射晶體來(lái)供電。對(duì)這些系統(tǒng)的測(cè)試表明，電動(dòng)機(jī)主要朝向相同的方向，并且它們的旋轉(zhuǎn)速度與液體中的速度相似。該團(tuán)隊(duì)很高興，因?yàn)槠渌麍F(tuán)體先前嘗試將輪烷(另一種分子機(jī)器)納入MOFs表明這些電機(jī)無(wú)法自由運(yùn)行。

因此，現(xiàn)在可以制造“電動(dòng)MOF”，其中大量分子馬達(dá)密集地堆積在一起以產(chǎn)生宏觀晶體。理論上，這樣的晶體可用于控制氣體的擴(kuò)散，或者它們可以在微流體系統(tǒng)中用作光動(dòng)力泵。另一個(gè)潛在的應(yīng)用是向機(jī)動(dòng)MOF供給材料，然后在再次抽出之前在籠內(nèi)反應(yīng)。但是，在任何這些應(yīng)用程序成為現(xiàn)實(shí)之前，還需要進(jìn)行更多的研究。例如，一個(gè)潛在的問(wèn)題是通過(guò)保持架的材料可能干擾電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞。然而，教授提出的系統(tǒng)。