NanoWiki - Brukerbidrag [nb]

Forskningsgrupper

2015-05-06T09:14:33Z

Johannre:

Dette er en oversikt over forskningsgrupper på NTNU som kan være relevante for nanostudenter.

== Institutt for fysikk, IFY ==

*Justin Wells si gruppe, har ein lab i U2 der ein får jobbe veldig sjølvstendig med XPS, i tillegg moglegheit for å delta i forsøk på synkrotron i Sverige, Danmark eller Tyskland. Bra både sosialt og fagleg.
*TEM gruppa ledet av Randi Holmestad. Gruppe for alle som er tilknytta [http://www.ntnu.edu/geminicentre/tem TEM Gemini Centre].
* [http://folk.ntnu.no/gibson/index.html Optical materials and Nanostructures] - gruppa til Ursula Gibson:
* [http://folk.ntnu.no/dbreiby/ Experimental Nanophysics] - gruppa til Dag Breiby

== Institutt for materialteknologi, IMT ==

*Fride sin gruppe.

== Institutt for konstruksjonsteknikk, KT ==

*[https://www.ntnu.edu/nml NTNU Nanomechanical Lab], med Zhiliang Zhang og Jianying He i spissen. Tilbyr både [https://www.ntnu.edu/nml/project/master-thesis-topics prosjekt- og masteroppgaver]. Kan også kombineres med sommerjobb.

== Institutt for kjemisk prosessteknologi, IKP ==

*[http://www.ntnu.no/web/kjempros/ansatte/bioraffineri-og-fiberteknologi Bioraffineri og fiberteknologi] er to nanoteknologer (Jonathan og Vegar). Ledige stipendiatstillinger utlyses snart(02.05.15). Har gode muligheter for industrirelevante eller rent forskningsretta mastergrader også.
*[http://www.ntnu.edu/chemeng/kincat Katalysegruppen], hvor Ida Hjorth sitter.

== Institutt for elektronikk og telekommunikasjon, IET ==

* [http://www.iet.ntnu.no/en/groups/material_og_komponent/oxide_electronics_research Oksidelektronikkgruppa]: Thomas Tybell, Jostein Grepstad, Erik Folven og Øystein Dahl. Syntese og karakterisering av epitaksielt grodde oksid tynnfilmer. Fokuserer for tiden på ferroelektriske, antiferromagnetiske og ferromagnetiske fenomener i tynnfilmer, mønstrede tynnfilmer og grensesjikt mellom multilag av tynnfilmer.
* Nanotrådgruppa ledet av Helge Weman. En gruppe på tvers av institutter for å utvikle teknologien tilknytta nanotråder. Nanotrådene lages på MBE-laben (Bjørn-Ove Fimland). Stort prosjekt med mange muligheter! Mye av arbeidet skjer på NanoLab. Gruppa er også tilknytta IFY og Ton van Helvoort/TEM Gemini Centre.

Fagoversikt

2012-09-20T12:14:54Z

Johannre: /* Emner utenom fagplanen */

Fagoversikt for nanoteknologistudiet for studieåret 2012/2013.

For Studiehåndbok for teknologistudiet (sivilingeniør) ved NTNU 2012/2013 se [http://www.ntnu.no/studier/studiehandbok/teknologi her].

== Felles obligatoriske emner i fagplanen ==

=== 1. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TDT4105]]
| Informasjonsteknologi, GK
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TFE4220]]
| Nanoteknologi intro
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4100]]
| Matematikk 1
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4115]]
| Fysikk
| 1. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4105]]
| Matematikk 2
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[TMA4115]]
| Matematikk 3
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[TMT4110]]
| Kjemi
| 2. Vår
| 7,5
|-
| [[EXPH0001]]
| Filosofi og vitenskapsteori
| 2. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 2. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TKJ4102]]
| Organisk kjemi GK
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4240]]
| Statistikk
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMT4185]]
| Materialteknologi
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TMA4130]]
| Matematikk 4N
| 3. Høst
| 7,5
|-
| [[TFE4120]]
| Elektromagnetisme
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TBT4170]]
| Bioteknologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TKJ4215]]
| Statistisk termodynamikk i kjemi og biologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
| [[TFE4180]]
| Halvlederteknologi
| 4. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Studiepoeng
|-
| [[TFY4170]]
| Fysikk 2
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4335]]
| Bionanovitenskap
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4185]]
| Måleteknikk
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TMT4320]]
| Nanomaterialer
| 5. Høst
| 7,5
|-
| [[TFY4220]]
| Faste stoffers fysikk
| 6. Vår
| 7,5
|-
| [[TIØ4258]]
| Teknologiledelse
| 6. Vår
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
|
| [[Komplementært emne]]
| 7. Høst
| Velg ett fra listen under
| 7,5
|-
|
| [[Eksperter i team]]
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4330]]
| Nanoverktøy
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 5. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
|
| [[Komplementært emne]]
| 9. Høst
| Velg ett fra listen under
| 7,5
|-
|
| Fordypningsemne
| 9. Høst
|
| 7,5
|-
|
| Fordypningsproskjekt
| 9. Høst
|
| 15
|-
|
| Masteroppgave
| 10. Vår
|
| 30
|-
|}

=== [[Komplementære emner]] ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode !! Emnetittel !! Studiepoeng
|-
| [[BI3072]] || Miljøtoksikologi || 7,5
|-
| [[FI5206]] || Technology for a good society || 7,5
|-
| [[TEP4223]] || Livssyklusanalyse || 7,5
|-
| [[TIØ4201]] || Risikohåndtering || 7,5
|-
| [[TIØ4230]] || Entreprenørskap og markedsorientert produktutvikling || 7,5
|-
| [[TIØ4295]] || Bedriftsøkonomi || 7,5
|-
| [[TIØ4300]] || Miljøkunnskap, økosystemer og bærekraft || 7,5
|-
| [[TMM4220]] || Innovasjon - Alt er mulig! || 7,5
|-
| [[TVM4162]] || Industriell økologi || 7,5
|-
|}

Det tas ikke hensyn til K-emner ved timeplanlegging.

==Emner for retning Bionano ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TKP4115]]
| Overflate- og kolloidkjemi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TBT4110]]
| Mikrobiologi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 6. Vår
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4260]]
| Cellebiologi og cellulær biofysikk
| 6. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TMM4100]]
| Materialteknikk I
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMM4175]]
| Polymerer og kompositter
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[MOL3014]]
| Nanomedisin I - Bioanalyse
| 7. Høst
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[MOL3005]]
| Immunologi
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[NEVR3001]]
| Basal nevrovitenskap
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TBT4135]]
| Biopolymerkjemi
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFE4225]]
| MEMS-design
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4265]]
| Biofysiske mikroteknikker
| 7. Høst
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[MOL3015]]
| Nanomedisin II - Terapi
| 8. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TOKS3001]]
| Medisinsk toksikologi
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TBT4110]]
| Mikrobiologi
| 8. Vår
| (2)
| 7,5
|-
|}

(1) Anbefalt emne for studenter som planlegger fordypningsprosjekt eller master ved Institutt for bioteknologi.

(2) Ikke hensyn til ved time- og eksamensplanlegging.

==Emner for retning Nanomaterialer ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TKP4115]]
| Overflate- og kolloidkjemi
| 6. Vår
| Obligatorisk
| 7,5
|-
| [[TKP4190]]
| Fabrikasjon og anvendelse av nanomaterialer
| 6. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TEP4220]]
| Energi og miljøkonsekvensanalyse
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TKP4130]]
| Polymerkjemi
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMT4285]]
| Hydrogenteknologi, brenselceller og solceller
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TDT4100]]
| Objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
| (2)
| 7,5
|-
|}

(1) Obligatorisk, emnet må velges i 3. eller 4. årskurs.

(2) Tas ikke hensyn til ved time- og eksamensplanlegging.

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TFE4145]]
| Elektronfysikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4300]]
| Energi og miljøfysikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKJ4205]]
| Molekylmodellering
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKP4155]]
| Reaksjonskinetikk og katalyse
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TKT4146]]
| Nanomekanikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TMT4145]]
| Keramisk materialvitenskap
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TMT4155]]
| Heterogene likevekter og fasediagram
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4250]]
| Kvantemekanikk 1
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMT4222]]
| Metallenes mekaniske egenskaper
| 7. Høst
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFY4245]]
| Faststoff-fysikk, videregående kurs
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TKP4190]]
| Fabrikasjon og anvendelse av nanomaterialer
| 8. Vår
| (2)
| 7,5
|-
| [[TMM4162]]
| Atomistisk modellering av brudd i materialer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TMT4245]]
| Funksjonelle materialer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4210]]
| Nanoelektronikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFE4230]]
| Nanofotonikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TKP4130]]
| Polymerkjemi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TKP4180]]
| Bioenergi og fiberteknologi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMM4175]]
| Polymerer og kompositter
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TMT4166]]
| Eksperimentell material- og elektrokjemi
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-

|}

(1) Ikke hensyn ved time- og eksamensplanlegging.

(2) Obligatorisk, emnet må velges i 3. eller 4. årskurs.

==Emner for retning Nanoelektronikk ==

=== 3. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[TDT4100]]
| Objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TDT4102]]
| Prosedyre- og objektorientert programmering
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4195]]
| Optikk
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4160]]
| Elektrooptikk og lasere
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4235]]
| Numerisk fysikk
| 6. Vår
|
| 7,5
|-
|}

=== 4. klasse ===

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Semester
! Merknad
! Studiepoeng
|-
| [[FY3114]]
| Funksjonelle materialer
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4145]]
| Elektronfysikk
| 7. Høst
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4165]]
| Anvendt fotonikk
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4225]]
| MEMS-design
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4250]]
| Kvantemekanikk 1
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFY4205]]
| Kvantemekanikk 2
| 7. Høst
|
| 7,5
|-
| [[TFE4210]]
| Nanoelektronikk
| 8. Vår
| Anbefalt
| 7,5
|-
| [[TFE4230]]
| Nanofotonikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFE4235]]
| Biomedisinsk optikk
| 8. Vår
| (1)
| 7,5
|-
| [[TFY4210]]
| Kvanteteori for mangepartikkelsystemer
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4245]]
| Faststoff-fysikk, videregående kurs
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
| [[TFY4340]]
| Mesoskopisk fysikk
| 8. Vår
|
| 7,5
|-
|}

(1) Ikke hensyn ved time- og eksamensplanlegging

==Emner utenom fagplanen==

{| class="wikitable sortable"
|-
! Fagkode
! Emnetittel
! Studiepoeng
|-
| [[NEVR2010]]
| Innføring i nevrovitenskap
| 15
|-
| [[NEVR2010|NEVR2020]]
| Innføring i nevrovitenskap
| 7,5
|-
| [[MFEL1010]]
| Innføring i medisin for ikke-medisinere
| 7,5
|-
| [[FY3020]]
| Romteknologi I
| 7,5
|-
| [[TTT4235]]
| Romteknologi II
| 7,5
|-
| [[JAP0501]]
| Japansk I
| 7,5
|-
| [[TFY4255]]
| Materialfysikk
| 7,5
|-
|}

==Eldre fagplaner==
*[[Emner i fagplanen 2011/2012]]
*[[Emner i fagplanen 2010/2011]]
*[[Emner i fagplanen 2009/2010]]
*[[Emner i fagplanen 2008/2009]]

TFY4335 - Bionanovitenskap

2009-03-23T09:33:42Z

Johannre: /* Litteraturprosjekter V09 */

{{Infobox
|Fakta vår 2009
|*Foreleser: Pawel Tadeusz Sikorski
*Stud-ass: Kai M. Beckwith og Sigmund Ø. Størset
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen(75%), presentasjon av litteraturprosjekt og arbeider(25%)
*Eksamensdato: 18. mai
*Pensum: Biological Physics, Energy, Information, Life. Philip Nelson, 1. utgave
}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2009
|* Antall godkjente: 2/3
* Innleveringssted: Boksene utenfor R1
* Frist: Én uke etter øvingsveiledning
* NB: Øving 3/4 har frist fredagen etter siste veiledningstime.
}}
== Om faget ==
Emnet vil behandle oppbyggingen av biologiske molekyler med særlig fokus på strukturell form, dannelse, bio-identifikasjon og selvorganisering. Komposittmaterialer i naturen med finstruktur på nanometernivå vil også bli behandlet. Prinsipper for, og anvendelse av de viktigste verktøy for karakterisering og manipulasjon innenfor bionanovitenskap vil bli diskutert. Videre vil anvendelse av biologiske molekyler og prosesser i utvikling av sensorer og komponenter, for eksempel bionanosensorer, elektroniske komponenter for interaksjon med celler, mikro- og nanofluidkomponenter bli behandlet.

== Litteraturprosjekter V09 ==
*[[Akselererte Brownske bevegelser]]
*[[Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer]]
*[[Functional Biomolecule-Nanoparticle Structures on Surfaces for Application as Sensors]]
*[[Gekkoinspirerte syntetiske adhesiver]]
*[[Nanofabrication using TMV and other templates]]
*[[Nanoteknologi i mat og matproduksjon]]
*[[Optical tweezers]]
*[[Sensorer basert på sammenklumping av DNA-nanopartikler]]

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TFY4335 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v09/?emnekode=TFY4335-1 Timeplan Vår09]

[[Kategori:Obligatoriske emner]]
[[Kategori:Fag 4. semester]]
[[Kategori:Fag 5. semester]]
[[Kategori:Fag]]

TFY4335 - Bionanovitenskap

2009-03-16T15:02:21Z

Johannre:

{{Infobox
|Fakta vår 2009
|*Foreleser: Pawel Tadeusz Sikorski
*Stud-ass: Kai M. Beckwith og Sigmund Ø. Størset
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen(75%), presentasjon av litteraturprosjekt og arbeider(25%)
*Eksamensdato: 18. mai
*Pensum: Biological Physics, Energy, Information, Life. Philip Nelson, 1. utgave
}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2009
|* Antall godkjente: 2/3
* Innleveringssted: Boksene utenfor R1
* Frist: Én uke etter øvingsveiledning
* NB: Øving 3/4 har frist fredagen etter siste veiledningstime.
}}
== Om faget ==
Emnet vil behandle oppbyggingen av biologiske molekyler med særlig fokus på strukturell form, dannelse, bio-identifikasjon og selvorganisering. Komposittmaterialer i naturen med finstruktur på nanometernivå vil også bli behandlet. Prinsipper for, og anvendelse av de viktigste verktøy for karakterisering og manipulasjon innenfor bionanovitenskap vil bli diskutert. Videre vil anvendelse av biologiske molekyler og prosesser i utvikling av sensorer og komponenter, for eksempel bionanosensorer, elektroniske komponenter for interaksjon med celler, mikro- og nanofluidkomponenter bli behandlet.

== Litteraturprosjekter V09 ==
*[[Akselererte Brownske bevegelser]]
*[[Gekkoinspirerte syntetiske adhesiver]]
*[[Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer]]
*[[Optical tweezers]]
*[[Sensorer basert på sammenklumping av DNA-nanopartikler]]
*[[Nanoteknologi i mat og matproduksjon]]

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TFY4335 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v09/?emnekode=TFY4335-1 Timeplan Vår09]

[[Kategori:Obligatoriske emner]]
[[Kategori:Fag 4. semester]]
[[Kategori:Fag 5. semester]]
[[Kategori:Fag]]

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-16T14:53:28Z

Johannre:

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient. For at en slik bevegelse skal kunne opprettholdes over tid er det upraktisk at partikkelen skal "ha med seg" drivstoff. Vi løser dette problemet ved å plassere drivstoffet i løsningen, slik at partikkelen ikke går tom for drivstoff.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket av en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene med platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig (Brownsk) rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vil også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5 M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au,Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofobt, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref>. Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåten nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Runde skiver i vann med hydrofobe og hydrofile deler vil, når de møtes, binde seg med de hydrofobe delene mot hverandre. Til disse kan man koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et annet foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten vil gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references/>

[[Kategori:Prosjekt i Bionanovitenskap]]

TFY4335 - Bionanovitenskap

2009-03-14T11:31:02Z

Johannre:

{{Infobox
|Fakta vår 2009
|*Foreleser: Pawel Tadeusz Sikorski
*Stud-ass: Kai M. Beckwith og Sigmund Ø. Størset
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen(75%), presentasjon av litteraturprosjekt og arbeider(25%)
*Eksamensdato: 18. mai
*Pensum: Biological Physics, Energy, Information, Life. Philip Nelson, 1. utgave
}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2009
|* Antall godkjente: 2/3
* Innleveringssted: Boksene utenfor R1
* Frist: Én uke etter øvingsveiledning
* NB: Øving 3/4 har frist fredagen etter siste veiledningstime.
}}
== Om faget ==
Emnet vil behandle oppbyggingen av biologiske molekyler med særlig fokus på strukturell form, dannelse, bio-identifikasjon og selvorganisering. Komposittmaterialer i naturen med finstruktur på nanometernivå vil også bli behandlet. Prinsipper for, og anvendelse av de viktigste verktøy for karakterisering og manipulasjon innenfor bionanovitenskap vil bli diskutert. Videre vil anvendelse av biologiske molekyler og prosesser i utvikling av sensorer og komponenter, for eksempel bionanosensorer, elektroniske komponenter for interaksjon med celler, mikro- og nanofluidkomponenter bli behandlet.

== Litteraturprosjekter V09 ==
*[[Akselererte Brownske bevegelser]]
*[[Gekkoinspirerte syntetiske adhesiver]]
*[[Bioinspirert design og sammensetting av plateforsterkede polymerfilmer]]
*[[Optical tweezers]]

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TFY4335 NTNUs fagbeskrivelse]
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v09/?emnekode=TFY4335-1 Timeplan Vår09]

[[Kategori:Obligatoriske emner]]
[[Kategori:Fag 4. semester]]
[[Kategori:Fag 5. semester]]
[[Kategori:Fag]]

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-03T09:49:20Z

Johannre: /* Self-assembly */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient. For at en slik bevegelse skal kunne opprettholdes over tid er det upraktisk at partikkelen skal "ha med seg" drivstoff. Vi løser dette problemet ved å plassere drivstoffet i løsningen, slik at partikkelen ikke går tom for drivstoff.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket av en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au,Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler vil, når de møtes, binde seg med de hydrofobe delene mot hverandre Self-assembly. Til disse kan man koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten vil gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-02T09:46:13Z

Johannre: /* Hvite blodceller */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient. For at en slik bevegelse skal kunne opprettholdes over tid er det upraktisk at partikkelen skal "ha med seg" drivstoff. Vi løser dette problemet ved å plassere drivstoffet i løsningen, slik at partikkelen ikke går tom for drivstoff.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket av en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au,Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten vil gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-01T13:49:58Z

Johannre: /* Akselererte Brownske bevegelser */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient. For at en slik bevegelse skal kunne opprettholdes over tid er det upraktisk at partikkelen skal "ha med seg" drivstoff. Vi løser dette problemet ved å plassere drivstoffet i løsningen, slik at partikkelen ikke går tom for drivstoff.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket av en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au,Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-01T12:54:49Z

Johannre: /* Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket av en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-01T12:28:47Z

Johannre: /* Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med av polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket med en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Akselererte Brownske bevegelser

2009-03-01T12:28:08Z

Johannre: /* Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med av polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket med en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

[[Bilde:Nanoraft.JPG|400px|thumb|right|Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal]]

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Fil:Nanoraft.JPG

2009-03-01T12:27:04Z

Johannre: Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal

Nanoflåte som styres mot en inhibitorkilde A. Kilde: Chemistry - A European Journal

Akselererte Brownske bevegelser

2009-02-27T15:25:05Z

Johannre: /* Styring med eksternt magnetfelt */

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med av polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket med en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
[[Bilde:Gull i vann.png|400px|thumb|right|Tapping mode AFM-bilde av gull i oksygenmettet vann, topografi(venstre), faseforskyvning(høyre) Kilde: American Chemical Society]]
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
[[Bilde:Sjølvsatt.gif|400px|thumb|right|Nanostav som oppfører seg som en galvanisk celle Kilde: American Chemical Society]]
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===

[[Bilde:magnetisk_styring.jpg|400px|thumb|right|Styring av nanostav med eksternt magnetfelt. (Nanostaven frakter en kolloidpartikkel) Kilde: American Chemical Society]]

Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
[[Bilde:Levering!.png|400px|thumb|right|(Nanostaver koblet sammen med kolloide partikler, PPy til venstre og biotin-streptavidin til høyre. Kilde: American Chemical Society]]
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Fil:Magnetisk styring.jpg

2009-02-27T15:19:58Z

Johannre: Magnetisk styring av kolloidpartikkel fraktet av nanostav

Magnetisk styring av kolloidpartikkel fraktet av nanostav

Akselererte Brownske bevegelser

2009-02-27T14:47:37Z

Johannre:

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med av polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket med en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanostaver Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner==

===Selvelektroforetisk framdrift===

Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

[[Bilde:Biochemical_motor.gif|300px|thumb|right|Selvdreven Biokjemisk motor. Kilde: American Chemical Society]]

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===
Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

Fil:Biochemical motor.gif

2009-02-27T14:44:19Z

Johannre: Selvdreven Biokjemisk motor Kilde: American Chemical Society

Selvdreven Biokjemisk motor
Kilde: American Chemical Society

Akselererte Brownske bevegelser

2009-02-27T14:24:48Z

Johannre: Ny side: Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde. Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Art...

Akselererte Brownske bevegelser er kort sagt Brownske bevegelser med økt steglengde.

Nedskalering av partikler krever nye mekanismer for fremdrift på grunn av lave Reynold’s numre. Artikkelen tar for seg ulike prinsipper som er brukt for å få til dette og diskuterer hvordan dette kan anvendes.

==Brownske bevegelser==
Brownske bevegelser er tilfeldige bevegelser forårsaket av den termiske energien i en løsning. For små partikler i vann vil dette si at vannmolekylene kolliderer med partikkelen, og at dette kan resultere i en tilfeldig bevegelse av partikkelen. Slike bevegelser benyttes av organismer på liten skala ved at små partikler kan fraktes ut og inn i cellene ved diffusjon som et resultat av Brownske bevegelser.

==Akselererte Brownske bevegelser==
Ønsker vi derimot en raskere bevegelse enn det de Brownske bevegelsene kan levere, må man tilføre en kraft som kan drive partikkelen fram. Vi får en slik kraft dersom vi innfører en passende gradient i løsningen. Denne kraften kunne for eksempel blitt tilført ved å plassere magnetiske partikler i et magnetfelt for å trekke alle til en side. I dette tilfellet mister man imidlertid de tilfeldige bevegelsene, i og med at alle partiklene vil få bevegelse i samme retning. Den eneste måten å skape tilfeldig fremdrift på er derfor at det er partikkelen selv som skaper denne kraften, og driver seg selv fremover. Partiklene må med andre ord skape sin egen gradient.

==Ballistisk fremdrift av polystyrenkuler==
For å drive nanopartikler fremover, har det blitt gjort forsøk med av polystyrenkuler med diameter på 1.62 μm dekket med en platina-katalysator<ref name="kuler">J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian Self-motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102.</ref>. Platina er katalysator for reaksjonen mellom hydrogenperoksid og vann:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{Pt}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Vi ser av ligningen at reaksjonen gir flere produkter enn reaktanter. Ved å dekke kun den ene siden av polystyrenkulene platinakatalysator, vil det skapes et overtrykk på siden hvor platina katalyserer reaksjonen pga økning i antall molekyler. Denne trykkgradienten gir kulene fremdrift, slik at de beveger seg i løsningen med platinadelen bakerst. Ved å fjerne "drivstoffet" i løsningen, H2O2, vil ikke kulene bevege seg på samme måte, men kun vandre omkring grunnet Brownske bevegelser

Kulene er imidlertid lite retningsstabile, og pga tilfeldig rotasjon vil de etter en stund endre retning på bevegelsen. Resultatet er at vi får kuler som beveger seg tilfeldig rundt som er tilfelle for Brownske bevegelser, men kulene får en større steglengde og vi kan kalle dette Akselererte Brownske bevegelser.

Et lignende forsøk har blitt utført i Nederland <ref>C. Stock, N. Heureux, W. R. Browne, B. L. Feringa Autonomous Movement of Silica and Glass Micro-Objects Based on a
Catalytic Molecular Propulsion System, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3146-3153</ref>. Der festet forskerne en kompleksbundet mangankatalysator til glasskuler via en organisk "bro". Også disse partiklene ble laget for å katalysere dekomponeringen av hydrogenperoksid til vann og oksygen. Resultatet ble det samme som i eksperimentet over, hvor kulene ble drevet fremover på grunn av økt trykk ved katalysatorenden av kulene når hydrogenperoksidet dekomponeres. Denne måten å designe "motoren" på er imidlertid mer fleksibel, ettersom den er lettere å tilpasse. I stedet for at halve kulen er dekket med katalysator, henger katalysatoren etter som en hale, eller påhengsmotor. Man kan justere styrken på denne ved å endre antallet haler, eller mengde katalysator, og man kan justere avstanden mellom motoren og partikkelen dersom dette er ønskelig.

==Nanorods Gull/Platina==
Ved å bruke tynne staver med en del av gull og en av platina, vil en i en hydrogenperoksidløsning observere at stavene beveger seg i lengderetningen. Hastigheter på opptil flere mikrometer per sekund er observert. Fremdriftssystemet bruker energi fra dekomponeringen av hydrogenperoksid, som blir katalysert ved platinaenden. At en kjemisk reaksjon som kun skjer på den ene siden av staven kan skape fremdrift er lett å forstå, hvordan kjemisk energi blir til mekanisk energi er derimot mer spennende. At staven beveger seg med platinaenden først, i motsetning til kulene i avsnittet over, gir enda større grunn til undring.

===Ballistisk fremdrift===
De støkiometriske forholdene av produkter og reaktanter i dekomponeringen av hydrogenperoksid er 3:2. Denne reaksjonen er svært rask og foregår kun ved den ene enden av staven. Det er derfor naturlig å anta at dette skaper en trykkgradient som dytter staven i retning gullenden, som en minirakettmotor. Forventet hastighet produsert av denne trykkforskjellen er 4nms-1<ref name="motility"> W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462–6470</ref>, noe som er langt under observert hastighet. I tillegg virker denne kraften i motsatt retning av observert bevegelse.

===Overflatespenning ===
Reaksjon 1 er eksoterm (ΔH0 rundt -200kJ mol-1) og vil derfor, i tillegg til en oksygenkonsentrasjonsgradient, skape en temperaturgradient i stavens lengderetning. Etter som staven beveger seg blir denne gradienten opprettholdt så lenge det er hydrogenperoksid igjen i løsningen. Motstanden en stav vil merke pågrunn av væskens viskositet kan beregnes med Stokes drag law, rundt 0.048 pN for en stav som er 2µm lang og beveger seg 10µms-1. Endringen i overflatespenning indusert av termisk energi kan en ved hjelp av konveksjon-diffusjonsligningen finne at er 10-4pN. Dette er to dekader mindre enn motstanden i væsken og vil ikke være nok til å bevege staven.

Konsentrasjonsgradienten vi også endre overflatespenningen rundt nanostaven. Ved å ta utgangspunkt i motstandskraften i væsken finner en at konsentrasjonsforskjellen mellom endene på staven må være minst 3.1x10-5M. Observert konsentrasjonsforskjell er 6.6x10-5 M, dette viser altså at konsentrasjonsgradienten av oksygen rundt staven gir nok fremdrift.

En hydrofob gjenstand i en konsentrasjonsgradient av oksygen vil bevege seg i retning av økende oksygenkonsentrasjon. At nanostaven beveger seg med platinaenden fremst i denne retningen indikerer at fri energi for overflaten avtar ettersom gullenden beveger seg. Dette betyr også at gullet må være hydrofobt, noe som er bekreftet ved å studere AFM-bilder av gull/platina-partikler i rent vann<ref> W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13 424 – 13431.</ref>

===Selvelektroforese===
En kan også tenke seg at det på hver ende av staven katalyseres en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. De to halvreaksjonene må være elektrisk nøytrale og totalreaksjonen må være spontan og ha høy reaksjonshastighet<ref name="motility" /> slik at staven i praksis oppfører seg som en kortsluttet galvanisk celle. For at halvreaksjonene skal være balanserte må elektronstrømmen i staven være lik strømmen av H+ langs stavens utside i retningen mot gullenden.

Forskjellen i ledningsevne mellom staven og vannet rundt staven vil kunne medføre et potensial rundt staven som er opptil 1010 større enn det inni staven. Dette potensial vil derfor kunne generere en strøm av H+ som er stor nok til å bevege staven i forhold til væsken ved Galileisk invarians. Farten som er mulig å oppnå avhenger lineært av det elektriske feltet rundt staven og bør bevege seg i tråd med Hückel’s ligning for elektroforetisk slip-hastighet<ref name="motility" />:

:<math>v = \frac{2}{3} \frac{\epsilon_{0} \epsilon \xi E_{x}} {\mu} </math>

En partikkel som genererer et potensial på -40mV trenger en ionestrøm på 5x10-4mAcm-2 for å bevege seg 10µms-4, noe som viser at selvelektroforese i prinsippet kan fungere som fremdrift ved lave Reynold’s nummer.
Yang Wang et al. viste i 2006 at staver bestående av kombinasjoner av metallene Au, Pt,Rh,Ni,Ru og Pd vil produsere hastigheter i tråd med ligningen over<ref> Wang Y, Hernandez RM, Bartlett DJ Jr, Bingham JM, Kline TR, Sen A, Mallouk TE Bipolar Electrochemical Mechanism for the Propulsion of Catalytic Nanomotors in Hydrogen Peroxide Solutions, Langmuir, 2006, 22 (25), 10451-10456 </ref>. Ved å beregne potensialforskjellen mellom metallene kunne de forutse både retning og størrelse på fremdriften. Ved å bytte ut platina med polypyrol dopet med katalase, et enzym som katalyserer spaltingen av hydrogenperoksid på samme måte som platina, observerte de samme reaksjonshastighet, men ingen fremdrift. Dette støtter påstanden om at selvelektroforese er den viktigste fremdriftsmekanismen for nanostaver i hydrogenperoksidløsning.

==Framdrift ved enzymkatalyserte reaksjoner.==

===Selvelektroforetisk framdrift===
Et annet eksempel hvor selvelektroforese har blitt brukt til å drive partikler framover har blitt gjort av forskere i Texas <ref>N. Mano, A. Heller Bioelectrochemical Propulsion, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574 – 11575</ref>. I dette forsøket ble relativt lange (0,5-1 cm), ledende karbonfibre dekket med enzymer i begge ender. Midtstykket av fiberen var hydrofob, mens endene var hydrofile, slik at fiberen holdt seg flytende, mens endene hadde god kontakt med vannet. I den ene enden (anoden) ble fiberen dekket med glukose oksidase, et enzym for oksidering av glukose, mens den andre enden (katoden) hadde et enzym for reduksjonen av oksygen til vann.

Anodereaksjonen ble da:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \longrightarrow \delta glucono 1,5 lactone + 2 H^{+} + 2e^- }</math>

mens reaksjonen ved katoden var:
: <math> \mathrm{\frac{1}{2} O_{2}+ 2 H^{+}+ 2 e^{-}\longrightarrow H_{2}O}</math>

med netto reaksjonslikning:
:<math> \mathrm{\beta Dglucose + \frac{1}{2} O_{2} \longrightarrow \delta glucono1,5lactone + H_{2}O}</math>

Uten glukose, eller i fravær av oksygen rørte ikke fiberen på seg. Med både glukose og oksygen gikk det en strøm av elektroner fra anoden, gjennom den ledende fiberen, og til katoden. Samtidig gikk det en ionestrøm av H+-ioner i vannet fra katoden til anoden, noe som førte til en fremdrift av selve fiberen motsatt vei.

Ved å legge inn et isolerende element midt på fiberen, slik at elektronene ikke kunne gå fra katoden til anoden, ville ikke fiberen bevege seg. Dette tyder på at fiberens selvelektroforese er nødvendig for å drive den framover. Fiberen klarte heller ikke å bevege seg annet en på overflaten av løsningen. Ved å gjøre hele fiberen hydrofil, slik at den ble dekket av væske ble motstanden for H+-ionene for stor til at fiberen fikk noen synlig framdrift.

===Ballistisk fremdrift===
I et annet forsøk utført i Nederland, blir enzymkatalyse brukt til fremrift på en annen måte<ref> Pantarotto D, Browne WR, Feringa BL Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble, Chem Commun (Camb). 2008 Apr 7;(13):1533-5. Epub 2007 Nov 16</ref>. I dette forsøket ble et flervegget karbonnanorør på 0,5-5μm funksjonalisert med karboksylsyrer, for å kunne bindes til enzymer. Deretter ble glukose oksidase og katalase festet til nanorøret, ikke i hver sin ende, men på samme side av røret. Glukose oksidase oksiderer glukose til hydrogenperoksid:

:<math>\mathrm{ \beta D glucose \stackrel{GOx}{\longrightarrow}H_{2}O_{2} }</math>

mens katalasen dekomponerer hydrogenperoksidet til vann og oksygen:

:<math> \mathrm{2H_{2}O_{2} \stackrel{katalase}{\longrightarrow}2H_{2}O + O_{2} }</math>

Mens fibrene i det forrige eksemplet ble drevet av elektroforese, blir disse stavene drevet fremover av trykkforskjellen som skapes ved dannelsen av oksygengass ved katalasen, som med de første eksemplene i denne artikkelen. I motsetning til de andre stavene/fibrene som har blitt nevnt, skiller også dette forsøket seg ut ved at staven beveges seg transversalt, ettersom enzymene er festet på siden av staven og ikke i endene.

Disse to forsøkene viser teknikker for katalysedrevet fremdrift. Det første er demonstrert på makronivå, men det kan tenkes at den samme teknikken kan brukes på mindre partikler. Enzymkatalysen gjør at disse teknikkene kan være lettere å integrere i organismer, dersom dette er ønskelig, ettersom glukose blir brukt som drivstoff i stedet for hydrogenperoksid, som er brukt i de fleste andre forsøkene.

==Kontrollering av ABB==

For å ha noen glede av teknikkene nevnt ovenfor, er det i mange tilfeller ønskelig å kontrollere bevegelsene til partiklene/stavene. Klarer vi dette mister vi imidlertid konseptet med Brownske tilfeldige bevegelser. Kontroll av bevegelsene henger allikevel såpass tett sammen med å skape fremdrift at de fortjener et avsnitt i denne artikkelen.

===Nanostaver vs. nanopartikler===
En enkel måte å kontrollere bevegelsene på er ved å manipulere geometrien til de katalytiske partiklene. På grunn av formen til katalysator-nanostavene, vil de bevege seg mer i lengderetningen av staven enn på tvers. Dette gjør ikke at en samling staver beveger seg i en retning, men hver enkelt stav vil være mer retningsstabil enn en tilsvarende kule. Denne teknikken for å kontrollere retningen på partikkelbevegelsene gir ikke utslag når vi ser på mange partikler, og kan derfor fortsatt betraktes som ABB.

===Styring med eksternt magnetfelt===
Ønsker vi derimot å få alle stavene til å gå i en bestemt retning, mister vi selvfølgelig de tilfeldige Brownske bevegelsene. Dette har blitt gjort av forskere ved Pennsylvania State University i USA<ref>T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen Catalytic Nanomotors: Remote-Controlled Autonomous Movement of Striped Metallic Nanorods, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744 – 746.</ref> Ved å endre sammensetningen av Pt/Au nanostavene til Pt/Ni/Au/Ni/Au får stavene ferromagnetiske deler. Ved å gjøre disse nikkeldelene av nanostavene tilstrekkelig korte, slik at lengden er mindre enn diameteren på staven, kan de magnetiseres transversalt i stedet for longitudinalt. Ved å sette på et ytre magnetfelt, vil stavene derfor ordnes slik at de ligger på tvers av magnetfeltet. I forsøket i Pennsylvania ble orienteringskraften fra magnetfeltet beregnet til å være ca. 10 000 ganger sterkere enn rotasjonskreftene fra Brownske bevegelser. Stavene vil ikke flyttes pga. magnetfeltet, men kun orienteres samme vei. Fremdriften skjer på samme måte som før ved katalyse av hydrogenperoksid til vann og oksygen.

Ulempen ved denne metoden er at man ikke kan kontrollere i hvilken retning platinaenden av staven peker når man orienterer stavene. Dette fører til at om lag halvparten av stavene vil bevege seg til høyre og halvparten til venstre, normalt på det eksterne magnetfeltet.

===Styring av nanoflåte med konsentrasjonsgradient===

Ved å bunte opp nanostaver til flåter, kan man styre retningen på disse flåtene<ref name="motility" />. Drives stavene fremover ved at det skjer en katalyse på overflaten, kan man plassere en kilde med en passende inhibitor for denne reaksjonen i løsningen. Stavene i flåte nærmest inhibitoren vil da få en mindre fremdrift enn stavene lengst unna, og flåten vil svinge seg inn mot inhibitorkilden. Etter hvert vil flåten bevege seg rett mot inhibitorkilden, mens hastigheten vil avta etter som den nærmer seg.

Det har også blitt gjort forsøk med styring av enkle nanostaver<ref name="colloidal">Shakuntala Sundararajan, Paul E. Lammert, Andrew W. Zudans, Vincent H. Crespi, and Ayusman Sen Catalytic Motors for Transport of Colloidal Cargo, Nano Lett., 2008, 8 (5), 1271-1276</ref>. Ved å skape en gradient med høyere konsentrasjon hydrogenperoksid i ett område enn et annet, vil nanostavene sakte med sikkert vandre mot den høyeste konsentrasjonen hydrogenperoksid.

==Bruksområder==
===Transport av kolloide partikler===
Pt-Au-stavene tidligere beskrevet, kan brukes til å transportere kolloide partikler ved å forlenge staven med en Polypyrole-del (PPy) på gullenden<ref name="colloidal" />. Siden PPy-delen har en negativ ladning vil positive partikler binde seg, kraften vil være stor nok til at staven vil kunne dra partikkelen. Hvis partiklene en ønsker å transportere ikke er ladet kan en kle en del av staven med biotin og partiklene med streptavidin, noe som vil føre til at partiklene vil feste seg på staven. Ved å kombinere denne teknikken med retningskontrollert fremdrift vil en kunne skape gode fordeler ved bottom-up-produksjon av nye materialer og levering av kjemikalier på bestemte steder.

===Self-assembly===
Self-assembly for store partikler er vanskelig pågrunn av lav diffusjonshastighet. Ved å bruke runde skiver med hydrofobe og hydrofile deler kan en koble på en Platina-del som katalyserer spalting av hydrogenperoksid. Whiteside-eksperimentet<ref>D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. DiLuzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides Autonomous Movement and Self-Assembly, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11 963 – 11967.</ref>viser at dette vil propellere skiven i en roterende bane som har en netto transversal bevegelse. Dette kan øke hastigheten for self-assembly betraktelig.

===Hvite blodceller===
Et foreslått bruksområde er å feste bio-nanomotorer på hvite blodceller. En ser for seg at den økte diffusjonshastigheten gjøre cellene mer effektive.

=Lenker=
*[http://ftp.aip.org/epaps/phys_rev_lett/E-PRLTAO-99-010731/Self-Motile-Golestanian.mov (film)Platinabelagt kule viser akselererte Brownske bevegelser]

==Referanser==
<references>

LaTeX

2009-02-10T16:22:47Z

Johannre:

Et nyttig format som lar deg skrive [[rapport |rapporter]] meget enkelt. LaTeX er et format som må behandles av et typesettingsystem (TeX) for så å lage det endelige dokumentet. Dette er forskjellig i fra andre programmer som f.eks. Word, hvor du til enhver tid jobber direkte på det endelige
dokumentet slik det vil se ut. Fordelene med dette er at det blir lettere å jobbe med større dokument da programmet ikke trenger å formatere teksten hele tiden. Ellers forenkler LaTeX mange vanlige problemstillinger som kryssreferanser (eksempelvis til figurer eller likninger), seksjonering, matematisk likninger, sitering, layout, samt eventuelt orddeling ved linjeskift. LaTeX har også et hav med ekstrapakker som hjelper deg med alt fra å få korrekt formatering av fysiske enheter (SIUnits), kjemiske strukturformler, til å legge til mer esoteriske funksjoner innen notasjon og layout.

== Dokumentoppsett ==
Først i dokumentet spesifiserer man alt av innstillinger osv. som skal gå til typesettingsprogrammet. De viktigste tingene man gjør her er å spesifisere dokumenttype (\documentclass), og å inkludere eventuelle ekstrapakker man ønsker (\usepackage). Når man er ferdig med dette spesifiserer man starten på selve dokumentet med kommandoen \begin{document}. Man kan ellers til et hvert tidspunkt skille ut en del av innholdet i en annen fil, for så å inkludere det der man ønsker med kommandoen \input{filnavn} (filen antaes å være i samme mappe og med filendelsen .tex). Et tips er å holde selve innholdet fraskilt fra innstillingene ved å skille innholdet ut i en separat fil. Dette gjør det enkelt å gjenbruke innstillinger ved en senere anledning ved at man bare kopierer innstillingsfilen, og skriver en ny innholdsfil. Et grunnleggende eksempel på innstillinger som bør være med i rapporter kan sees i [[rapport#LaTeX rapportmal | rapportmalen]].

Skriver man på norsk, kan det være en fordel å laste packene babel med norsk som option for å gjøre om de engelske betegnelsene (f.eks. table, figure, abstract) til norsk. For å få æ,ø,å (og forsåvidt også ö,ä osv) kan man laste inn pakken inputenc med option latin1. Husk at disse pakkene kanskje må lastes ned separat.

<pre>
\usepackage[norsk]{babel}
\usepackage[latin1]{inputenc}
</pre>

== Generell koding ==

=== Innholdsfortegnelse===
Ønsker man innholdsfortegnelse holder det å skrive

<pre>
\tableofcontents
</pre>

Og latex setter inn innholdsfortegnelse der du er i teksten. For å forsikre seg om at innholdsfortegnelsen stemmer, bør man skrive PDF-fila to ganger for at LaTeX skal få alle sidetall og avsnittnummer rett.

=== Bilder ===
Bilder kan settes inn slik for eksempel (det er sikkert lov å bare kopiere dette blindt men bytt ut noen navn):

<pre>
\begin{figure}[htbp] %htbp står bare for plassering, Google det om du vil har fler tips eller se link under
\centering
\includegraphics[height=5cm]{Bilde1} %evt kan [width=0.5\textwidth] være nyttig som option
\caption{Bla bla skrift under bildet}
\label{fig:1} %med denne kan man bare referere til bildet, uansett hvor det står ved å skrive bilde~\ref{fig:1}
\end{figure}
</pre>

=== Tabeller ===
Her er et forslag til å lage tabell. Den har linjer rundt hele seg og all skrift er sentrert. Det er også hint til litt annen koding her.
<pre>
\begin{table}[htbp]
\centering
\begin{tabular}{|c|c|c|}\hline
Prøve: & \emph{21A - As478} & \emph{21B - As 478}\\ \hline
L & \unit{7014}{\micro\metre} & \unit{7006}{\micro\metre} \\ \hline
a & \unit{4000}{\micro\metre} & \unit{4002}{\micro\metre} \\ \hline
b & \unit{4002}{\micro\metre} & \unit{4004}{\micro\metre} \\ \hline
c & \unit{101,5}{\micro\metre} & \unit{103}{\micro\metre} \\ \hline
p & \unit{485,3}{\micro\metre} & \unit{488,88}{\micro\metre} \\ \hline
w & \unit{510}{\micro\metre} & \unit{516,5}{\micro\metre} \\ \hline
$h_{kontakt}$ & \unit{0,2}{\micro\metre} & \unit{0,2}{\micro\metre} \\ \hline
$h_{ets}$ & \unit{4,5}{\micro\metre} & \unit{4,5}{\micro\metre} \\ \hline
\end{tabular}
\caption{Tabell over alle målte verdier på Hallbarens størrelse.}
\label{tab:1}
\end{table}
</pre>

=== Formler ===

==== For seg selv ====

Formler kan skrives for seg selv, både nummerert eller ikke.

Følgende blir en ligning som er nummerert og kan linkes til med ~\eqref{eq:1} eller ~\ref{eq:1}.
<pre>
\begin{equation}
\vec{F} = q \vec{E} + q \vec{v} \times \vec{B}
\label{eq:1}
\end{equation}
</pre>

Følgende blir en unummerert ligning som heller ikke er laget for å refereres til da dette vil være noe merkelig i og med at den ikke er nummerert.
<pre>
\begin{equation}
1-2:\quad V_{12}=216,566I- 0,509\cdot10^{-9} \Rightarrow R_{12}= \unit{216,6}{\ohm}\nonumber
\end{equation}
</pre>

==== I tekst ====

Når man bare skal skrive en liten formel eller noe litt matematisk i selve teksten så putter man bare $ foran og bak det man skal skrive og så fikser LaTeX-programmet biffen.

Eksempel:
<pre>
...der $\sigma = \frac{1}{\rho}$. $\rho$ er resistiviteten...
</pre>

===Referanser===
Referanser til andre steder i teksten gjøres ved at man legger til en label til stedet man vil referere til med kommandoen \label{dinlabelher}. Man kan lage label for f.eks. ligninger, avsnitt og figurer, men for figurer må labelen defineres etter at caption er definert. For å referere til delen man har gitt label, skriv inn \ref{dinlabelher}, og laTeX henter nummeret på ligningen, avsnittet eller figuren. LaTeX får ikke alltid riktige referanser første gang man skriver til PDF (Typisk "se figur ??"), så gjør alltid dette to ganger for å få referansene riktig.

<pre>
\begin{equation} \label{kulevolum}
V=\frac{4 \pi r^2}{3}
\end{equation}
Volumet av kula med radius = 1 blir 4/3 $pi$ fra formel \ref{kulevolum}.
</pre>

===Fotnoter===
Fotnoter legges inn ved å skrive \footnote{Teksten som skal stå i fotnota} der du ønsker en fotnote.

=== Sitering ===
For å legge til en skikkelig kildereferanse er det vanlig å bruke verktøyet BiBTeX. Dette kommer med de fleste distribusjonen av LaTeX, og mange redigeringsverktøy har innebygget støtte for dette (eksempelvis WinEdt). Kilder i rapporten legges i en egen fil (med filendelse .bib) skrevet i BiBTeX format[http://en.wikipedia.org/wiki/BibTeX], og siteres så ved kommandoen \cite{kildenavn}. Kildereferansen inkluderes så der du ønsker ved hjelp av kommandoen \bibliography{refereanse_filnavn}. Siteringsstilen kan endres ved å bruke kommandoen \bibliographystyle{stilnavn}, hvor et vanlig stilnavn er ''plain'', hvor da referansene simpelthen er tall. Forskjellige fagmiljø har innarbeidet forskjellige siteringsstiler, og noen steder ønsker man siteringen på typen (Forfatter, Årstall).

== Diverse ==

=== Formatfiksing ===

Om man ikke er helt fornøyd med formatet, eller dokumentklassen, (\documentclass[12pt, a4paper]{article}) altså article i dette tilfellet, så kan man redigere dette rimelig greit. Bare å finne fila article.cls, samt srticle.sty, disse kan åpnes i alle tekstbehandlingsprgrammer (tror jeg), men det er nok best å enten åpne den i PCTeX Wordpad, NotePad. LaTeX-programmet er nok en smule enklere, men Wordpad funka greit det også. I alle fall så er det bare å søke seg fram til det du vil rette på. I .cls trenger du bare å linke til .sty-fila, så den er i alle fall grei å fikse på.

I starten kan det være greit å prøve enkle ting som å forandre litt engelske presettnavn slik at de blir norske. '''Men husk for all del å lagre dette som nye filer!'''
Ting man skal rette på kan man enten søke etter på Google eller leite etter i henhold til funksjonsnavn. Bare å søke etter appendix om man skal forandre noe som angår den funskjonen også videre. Bare fantasien og kunnskapen/forståelsen av hva som står der som setter grenser for hva man kan gjøre, og blir man god nok (les: gidder) så kan man lage sitt helt egne oppsett/format.

== Linker ==
*[http://en.wikibooks.org/wiki/LaTeX LaTeX - wikibooks]

TFY4335 - Bionanovitenskap

2008-12-10T15:39:17Z

Johannre:

{{Infobox
|Fakta vår 2009
|*Foreleser: Pawel Tadeusz Sikorski
*Stud-ass: ?
*Vurderingsform: Skriftlig eksamen(75%), presentasjon av litteraturprosjekt og arbeider(25%)
*Eksamensdato: 18. mai
}}

{{Infobox
|Øvingsopplegg vår 2009
|* Antall godkjente: 2/3
* Innleveringssted: ?
* Frist: ?
}}
== Om faget ==
Bionanovitenskap er introduksjonsfaget i biofysikk. Fra skoleåret 2009/2010 har bionano blitt flyttet til 5. semester.

== Eksterne linker ==
*[http://www.ntnu.no/studieinformasjon/timeplan/v09/?emnekode=TFY4335-1&valg=emnekode&bokst= Timeplan Vår09]

[[Kategori:Obligatoriske emner]]
[[Kategori:Fag 4. semester]]
[[Kategori:Fag 5. semester]]
[[Kategori:Fag]]

Partielle diffligninger

2008-11-27T13:32:50Z

Johannre: Omdirigerer til Partielle differensiallikninger

#REDIRECT [[Partielle differensiallikninger]]