Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Nieuwe manier voor de aandrijving van een nanomotor

Leidse natuurkundigen hebben aanwijzingen gevonden voor de Berry-kracht, een tot nu toe niet aangetoonde kracht die mogelijk nanomotortjes kan aandrijven. Nanomotoren worden onder andere ontwikkeld om medicijnen op de juiste plek in het lichaam af te leveren. Publicatie in Beilstein Journal of Nanotechnology.

Een paar atomen op een rij

Voor hun onderzoek gebruiken experimenteel natuurkundige Jan van Ruitenbeek en zijn onderzoeksgroep piepkleine metalen kettinkjes die bestaan uit slechts een paar atomen op een rij, en sturen er een elektrische stroom doorheen. Als de ketting breekt, herhalen ze het proces, tot wel duizenden keren achtereen. Meestal breekt hij op een manier die vergelijkbaar is met het doorbranden van de gloeidraad in een lamp: de elektrische stroom warmt de ketting op totdat hij te heet wordt en uit elkaar valt.

Twee krachten

Het vreemde is dat een paar van de kettingen al bij een onverwacht laag voltage breken. Dit is ruim tien jaar geleden al gemeten, maar niemand wist het te verklaren. Nu denkt eerste auteur Carlos Sabater dat hij de reden heeft gevonden: de kettingen voelen een combinatie van twee krachten: de zogenoemde ‘wind’ en ‘Berry-kracht’. Samen laten deze krachten de kettingatomen dusdanig veel bewegen en roteren dat hun onderlinge verbinding breekt.

Aandrijving als een waterrad

Impressie van de rotatiekracht

De krachten spelen de rol van een rivier die een waterrad aandrijft. Daarom kunnen ze erg nuttig zijn om roterende onderdelen van nanomotoren aan te drijven. Nanomotoren op basis van de ‘wind’- en Berry-kracht hebben alleen een simpele elektrische gelijkstroom nodig. Een elektronenstroom pompt continu energie in de metaalatomen via de ‘wind’-kracht, terwijl de Berry-kracht voor de rotatie zorgt.

Toeppassing van nanomotors

Nanomotoren worden onder andere ontwikkeld om medicijnen op de juiste plek in het lichaam af te leveren. In conventionele benadering werken nanomotoren met aandrijving in de vorm van een cyclische kracht, wat heel ingewikkeld te realiseren is.

Berry-kracht

Tot nu toe is nog nooit gelukt om experimenteel aan te tonen dat de Berry-kracht bestaat. Het is erg lastig om direct te laten zien dat een nanowiel roteert, maar de brekende atoomkettingen vormen wel een indirect bewijs daarvoor. Bovendien komen de nu gepubliceerde resultaten heel goed overeen met theoretische voorspellingen. De onderzoekers proberen de krachten nu op een directere manier in beeld te brengen.

Artikel: Carlos Sabater, Carlos Untiedt & Jan M. van Ruitenbeek: Evidence for non-conservative current-induced forces in the breaking of Au and Pt atomic chains 

Headerafbeelding: Artist impression van nanorobots die ziek weefsel afbreken in een menselijke slagader