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A very different 24-hour race

At the end of March, the second NanoCar Race will take place in Toulouse at the French CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). With this special kind of race, pretty much everything is different from a classic car race! Strictly speaking, only the race drivers are sitting there, while the "race tracks" are located in eight different laboratories around the world - one of them at the TU Dresden. That being said, the participating "cars" are very, very small - molecules made up of 50 to 200 atoms, no bigger than a few nanometers. To put this size regime in perspective: A single human hair is about 70,000 nanometers thick.

A microscope as an engine?

In this quantum world, of course, nothing can be monitored with the naked eye or even by using classical light microscopes – one needs very special high-tech machines, the so-called scanning tunneling microscopes (STM). In such microscopes, a sharp, atomically precise tip acts as the probe and traverses over the sample. A voltage is applied between the probe and the sample, leading to quantum mechanical effects. These effects can then be exploited to obtain structural information about the sample, all the way down to atomic resolution. In the NanoCar race, however, the STMs are not only used to study the tiny racing cars, but to manipulate them as well. This is because molecules with certain specific structures and properties can be coaxed into moving with electrical impulses. The propulsion mechanism can be either inelastic (related to the excitation of vibrational modes or to current-induced structural changes) or dipolar, resulting from the repulsion or attraction between the nanocar and the STM tip. In short, electrons from the tip to the sample are sufficient to trigger motion in well-designed nanocars.

Herein lies the key to victory for the racing teams: which molecule is best fitted to travel as far as possible within the allotted 24 hours? "Far" is, of course, a relative term here - the distances covered will be a few nanometers at best. Nevertheless, the organizers of this quantum race have spared no efforts to make everything look like a classical sports event! There will be a 24-hour live stream, interspersed with reports on the individual teams, and official statements ranging from politics to science. As is customary at the conclusion of any racing event, there will also be a state-of-the-art awards ceremony!
The first Nanocar race took place in April 2017 and was followed live on the YouTube channel by more than 100,000 people worldwide.
The second international nanocar race is organized within the EU-funded FET OPEN project "MEMO" (Mechanics with Molecules). The project is led by Dr. Francesca Moresco, head of the "Single Molecule Machines" (SMM) Group at the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) at TU Dresden.

Fundamental research, embedded in accessible format

What sounds like great fun has, at the core, a serious scientific purpose. Fundamental research on mobile, selectively controllable molecules paves the way for future scientific endeavors and applications. Even if it sounds closer to science fiction than science today, soon such nanocars may be used to distribute medical agents in the human body, serve as motors in performing the work of tiny micromachines, or be used as an alternative method for computing complex problems.

The Dresden Team

The Dresden team GAzE (German Azulene Explorer) includes the entire SMM group (coordinators and pilots) as well as Dr. Franziska Lissel and Oumaima Aiboudi (Functional Electronic Materials Group at the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden - IPF) for the chemical synthesis, and Dr. Dmitry Ryndyk (TU Dresden, Chair of Theoretical Chemistry / Leibniz Institute of Materials Science IFW), responsible for theoretical calculations and modelling.
The Dresden nanocar has a core of azulene, which provides a high dipole moment, while lateral groups help to decouple it from the surface. Azulene is a blue aromatic hydrocarbon used in cosmetic products and as a coloring agent. The best-known natural azulene compound occurs in chamomile. During the Renaissance, this deep blue essential oil was quite popular and used to be obtained via steam distillation.

• NanoCar Race II, 24 Mar, 2022, 11:00 CET to 25 Mar 2022, 11:00 CET, CEMES-CNRS, G. Dupouy-Campus Toulouse (Frankreich)
• Livestream: https://youtu.be/ofwBAOi01_o

List of certified teams for the 2022 Nanocar Race II:

• StrasNanocar (University of Strasbourg / France)
• SanCar (CFM-CSIC San Sebastian and University of Santiago de Compostela/ SPAIN)
• GAzE (TU Dresden and IPF Dresden, Germany)
• Rice-Graz NanoPrix (University of Graz, Austria / Rice University, USA)
• NANOHISPA (IMDEA Madrid, Spain)
• TOULOUSE-NARA (CNRS and University of Toulouse, France / NAIST Nara, Japan)
• Ohio Bobcat Nanowagon (Ohio University, USA)
• NIMS-MANA (NIMS-MANA Tsukuba, Japan)

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About the MEMO project
The European FET OPEN project MEMO (Mechanics with Molecules), started in October 2017, has the goal to construct and test single molecule machines on a surface one at a time, controlling the rotation and the work delivered by a single molecule-motor directly at the atomic scale. MEMO will create the first miniaturization roadmap for mechanical machinery. The MEMO project is coordinated by Francesca Moresco at the TU Dresden and brings together six partners at the forefront of European research for the development of molecule-machines and nanofabrication: the Technische Universität Dresden (TU-Dresden) in Germany, the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France, the Agencia estatal consejo superior de investigaciones cientificas (CSIC) in Spain, the University of Graz in Austria, the Université de Liège in Belgium, and the University of Manchester in UK.
www.memo-project.eu

About cfaed
The cfaed is a research cluster at Technische Universität Dresden (TUD). As an interdisciplinary research center for perspectives in electronics, it is located at TUD as a Central Academic Unit and integrates members from non-university research institutions in Saxony and Saxony-Anhalt as well as TU Chemnitz. The Cluster is dedicated to the fundamentals of sustainable information technologies that would not be possible with the continuation of today’s silicon-based components. To achieve its goals, cfaed combines the thirst for knowledge of the natural sciences with the innovative power of the engineering sciences.
www.cfaed.tu-dresden.de

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Media kit: https://tud.link/nvjt

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Media inquiries:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden

Dr. Francesca Moresco
Tel.: +49 (0)351 463 43968
E-mail: francesca.moresco@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

[Deutsche Version]

NanoCar Race II, 24.-25. März 2022, Toulouse, Frankreich

NanoCar Race II: Acht Teams aus drei Kontinenten treffen sich zum kleinsten Rennen der Welt – dem Rennen der Moleküle

TU Dresden und IPF schicken einziges deutsches Team ins Rennen

Beim Begriff „24-Stunden-Rennen“ denken viele an Le Mans, an Daytona, oder auch den Nürburgring. Vor dem inneren Auge erscheinen möglicherweise Bilder von bunten Autos, die rasend schnell vorbeiziehen, begleitet von ohrenbetäubendem Lärm und dem Geruch verbrannter Hochleistungs-Treibstoffe. Doch beim NanoCar Race ist alles anders! Und mittendrin ein Team der TU Dresden und des IPF Dresden.

Das total andere 24-Stunden-Rennen

Ende März findet in Toulouse am französischen CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) das zweite NanoCar Race statt. Bei diesem Rennen der besonderen Art ist so ziemlich alles anders als bei einem klassischen Autorennen! Genaugenommen sitzen eigentlich nur die Rennpilot:innen dort, während sich die „Rennstrecken“ weltweit verteilt in acht verschiedenen Laboren befinden – eins davon an der TU Dresden. Und die teilnehmenden „Autos“ sind sehr, sehr klein – Moleküle aus 50 bis 200 Atomen, in der Größe von wenigen Nanometern. Um diese Dimensionen zu begreifen, hilft vielleicht folgender Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von rund 70.000 Nanometern.

Ein Mikroskop als Motor?

In dieser Winzig-Welt lässt sich natürlich nichts mehr mit dem bloßen Auge oder mit klassischen Mikroskopen erkennen – es braucht dafür ganz besondere Hightech-Maschinen, sogenannte Rastertunnelmikroskope (englisch „scanning tunneling microscope“ – STM). Diese gleiten mit einer sehr feinen Mess-Spitze (Sonde) über die jeweilige Probe. Aufgrund der angelegten Spannung zwischen Sonde und Probe lassen sich mittels quantenmechanischem Effekt Erkenntnisse über die Oberflächenstruktur des untersuchten Objekts machen – und zwar mit einer Auflösung bis zur Größe von einzelnen Atomen! Doch beim NanoCar-Rennen dienen die STMs nicht nur der Beobachtung der winzigen Rennwagen, sondern sie sorgen auch für deren Fortbewegung. Denn mittels der angelegten Spannung lassen sich Moleküle auch bewegen, wenn sie einen geeigneten Aufbau haben.

Hier liegt für die Rennteams also der Schlüssel zum Sieg: Welches Molekül eignet sich am besten, um innerhalb der 24 Stunden möglichst weit voran zu kommen? „Weit“ ist hier natürlich auch wieder ein relativer Begriff – die zurückgelegten Strecken werden im besten Fall einige Nanometer betragen. Dennoch scheuen die Organisator:innen des Rennens keine Mühen, um alles wie bei einem richtigen Sportevent erscheinen zu lassen! Es gibt einen 24-Stunden-Livestream, unterbrochen von Reportagen zu den einzelnen Teams sowie der Übertragung offizieller Statements aus Politik und Wissenschaft. Und im Anschluss gibt es natürlich eine standesgemäße Siegerehrung! Das erste Nanocar-Rennen fand im April 2017 statt und wurde von mehr als 100.000 Menschen weltweit live auf dem YouTube-Kanal verfolgt.

Grundlagenforschung, in zugängliches Format verpackt

Was alles wie ein großer Spaß klingt, hat natürlich einen ernsthaften wissenschaftlichen Hintergrund. Die Forschung an beweglichen, gezielt steuerbaren Molekülen ist Grundlagenforschung, die eines Tages verschiedenste Anwendungen ermöglichen könnte. Auch wenn es heute wie Science-Fiction klingt, in Zukunft verteilen solche Nano-Autos vielleicht medizinische Wirkstoffe im menschlichen Körper, dienen als Motoren bei der Verrichtung von Arbeiten winziger Minimaschinen oder werden als alternative Methode zur Berechnung von komplexen Problemen eingesetzt.
Organisiert wird das zweite internationale Nanocar-Rennen innerhalb des EU-geförderten FET OPEN Projekts „MEMO“ (Mechanics with Molecules). Die Projektleitung liegt bei Dr. Francesca Moresco, Leiterin der Gruppe „Single Molecule Machines“ (SMM) am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden.

Das Dresdner Team

Natürlich sind die Dresdner:innen auch mit einem eigenen Nanocar am Start: Zum Dresdner Team GAzE (German Azulene Explorer) gehören neben der SMM-Gruppe (Koordinator:innen und Pilot:innen) auch Dr. Franziska Lissel und Oumaima Aiboudi (Functional Electronic Materials-Gruppe am Leibniz Institut für Polymerforschung Dresden - IPF) für die chemische Synthese, sowie Dr. Dmitry Ryndyk (TU Dresden, Professur für Theoretische Chemie / Leibniz-Institut für Werkstoffwissenschaften IFW), zuständig für Modellrechnungen.

Das Dresdner Nanocar hat einen Kern aus Azulen, der für ein hohes Dipolmoment sorgt, während seitliche Gruppen die Entkopplung von der Oberfläche unterstützen. Azulen ist ein blauer aromatischer Kohlenwasserstoff, der in Kosmetikprodukten und als Färbemittel verwendet wird. Die bekannteste natürliche Azulenverbindung kommt in der Kamille vor und wurde schon im 15. Jahrhundert als tiefblaues ätherisches Öl bei der Wasserdampfdestillation der Kamille gewonnen.

• NanoCar Race II, 24.3.2022, 11 Uhr bis 25.03.2022, 11 Uhr, CEMES-CNRS G. Dupouy-Campus Toulouse (Frankreich)
• Livestream: https://youtu.be/ofwBAOi01_o

Liste der qualifizierten Teams für das Nanocar Race II:

• StrasNanocar (University of Strasbourg / France)
• SanCar (CFM-CSIC San Sebastian and University of Santiago de Compostela/ SPAIN)
• GAzE (TU Dresden and IPF Dresden, Germany)
• Rice-Graz NanoPrix (University of Graz, Austria / Rice University, USA)
• NANOHISPA (IMDEA Madrid, Spain)
• TOULOUSE-NARA (CNRS and University of Toulouse, France / NAIST Nara, Japan)
• Ohio Bobcat Nanowagon (Ohio University, USA)
• NIMS-MANA (NIMS-MANA Tsukuba, Japan)

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Hintergrund: Nanocar
Nanocar-Fahrer:innen nutzen den Elektronenfluss eines Rastertunnelmikroskops (STM), um ihre Moleküle zu bewegen, typischerweise bei jedem Impuls um ca. ein Zehntel Nanometer, so dass das Nanocar-Rennen in einem sehr kleinen Maßstab stattfindet. Bestehend aus etwa 50 - 200 Atomen mit einer lateralen Größe von einigen Nanometern ist ein Nanocar ein Molekül mit einer unterscheidbaren Vorder- und Rückseite. Aufgrund seiner chemischen Struktur kann sich das Nano-Auto auf einer Oberfläche bewegen, wenn Elektronen von der STM-Spitze es durchfließen. Der Antriebsmechanismus kann entweder unelastisch (durch die Anregung von Schwingungsmodi oder durch strominduzierte Strukturveränderungen) oder dipolar sein, d. h. durch die Abstoßung oder Anziehung zwischen dem Nanocar und der STM-Spitze.

Über das MEMO-Projekt
Das im Oktober 2017 gestartete europäische FET OPEN-Projekt MEMO (Mechanics with Molecules) hat das Ziel, Einzelmolekül-Maschinen auf einer Oberfläche zu konstruieren und zu testen, um die Rotation und die von einem Einzelmolekül-Motor geleistete Arbeit direkt auf atomarer Ebene zu steuern. MEMO wird die erste Miniaturisierungs-Roadmap für mechanische Molekülmaschinen erstellen. Das MEMO-Projekt wird von Dr. Francesca Moresco an der TU Dresden / cfaed koordiniert und bringt sechs Partner aus der Spitze der europäischen Forschung zur Entwicklung von Molekülmaschinen und Nanofabrikation zusammen: die Technische Universität Dresden (TU-Dresden) in Deutschland, das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, die Agencia estatal consejo superior de investigaciones cientificas (CSIC) in Spanien, die Universität Graz in Österreich, die Université de Liège in Belgien und die University of Manchester im Vereinigten Königreich.
www.memo-project.eu

Über das cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden
Das cfaed ist ein Forschungscluster an der Technischen Universität Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es an der TUD als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung angesiedelt und integriert Mitglieder aus außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Sachsen und Sachsen-Anhalt sowie der TU Chemnitz. Der Cluster widmet sich den Grundlagen zukunftsfähiger Informationstechnologien, die mit den heutigen siliziumbasierten Bauelementen nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, verbindet der cfaed den Wissensdurst der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.
www.cfaed.tu-dresden.de

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Media Downloads: https://tud.link/nvjt

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Presseanfragen:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:

Dr. Francesca Moresco
Gruppenleiterin Single Molecule Machines Group
Tel.: +49 (0)351 463 43968
E-mail: francesca.moresco@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-Mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de