Infrarødt lys-antenne driver molekylær motor

Lyskontrollerede molekylære motorer kan bruges til at skabe funktionelle materialer for at give autonom bevægelse, eller i systemer, der kan reagere på kommando. Til biologiske anvendelser, dette kræver, at motorerne drives af lavenergi, lys med lav intensitet, der trænger ind i væv. Kemikere ved University of Groningen designede en roterende motor, der effektivt drives af nær-infrarødt lys, ved at tilføje en antenne til motormolekylet. Designet og funktionaliteten blev præsenteret i tidsskriftet Videnskabens fremskridt den 28. oktober.

Ben Feringa, Professor i organisk kemi ved universitetet i Groningen, præsenterede designet og konstruktionen af ​​den første lysdrevne ensrettede roterende molekylære motor i 1999. I 2016, han var en af ​​tre vindere af Nobelprisen i kemi, til design og produktion af molekylære maskiner. Hans molekylære motorer har udviklet sig siden, men en væsentlig begrænsning for applikationer har været, at de er drevet af ultraviolet lys. I mange applikationer, UV-lys kan være skadeligt for omgivende materialer. Forsøg på at bruge mindre energiske nær-infrarøde fotoner til at drive disse motorer har hidtil været mislykkede.

Energi

Tilpasning af motormolekylet til direkte at acceptere to lavenergi-fotoner i stedet for en højenergi-fotoner har ikke været vellykket. Derfor forsøgte forskere i Feringa-laboratoriet nu en anden tilgang. Gennem en kovalent binding, motormolekylet var knyttet til en antenne, der kan absorbere to nær-infrarøde fotoner. Den resulterende excitation af antennen føres derefter videre til den motoriske del af molekylet.

Meget af dette arbejde blev udført af Lukas Pfeifer, en postdoc-forsker i Feringa-laboratoriet, som nu arbejder på den schweiziske École Polytechnique Fédérale i Lausanne. "For at systemet skal fungere, energiniveauerne for antennen og motoren skulle være nøje afstemt, " forklarer han. Det betød at designe en version af den molekylære motor, der kræver den nøjagtige mængde energi, som antennen giver til bevægelse. "Og den havde også brug for en linker, der gør det muligt at fastgøre antennen uden at forstyrre motorens rotation."

Enkel

"Dette er en direkte overførsel af den ophidsede tilstand, meget lig den måde, hvorpå to strenge på en guitar vil give genlyd, når en af ​​dem bliver slået på, " forklarer Maxim Pshenichnikov, Professor i ultrahurtig spektroskopi ved universitetet i Groningen og en af ​​forfatterne til Videnskabens fremskridt papir. Ideen virker simpel nok. "Hvis du ved, hvordan det fungerer, det bliver virkelig simpelt, " siger Pshenichnikov. "Men det kemiske design var bestemt ikke trivielt."

En kompleks sekvens af hændelser, der sætter motoren i gang, finder sted over et meget bredt spektrum af gange, fra picosekunder (10 ^-12 s) til minutter. De forskellige tidsregimer blev undersøgt af Pfeifer ved hjælp af NMR og af Nong Hoang, en ph.d. studerende i Pshenichnikovs forskningsgruppe, ved hjælp af ultrahurtig spektroskopi. Først, antennen fanger to nær-infrarøde fotoner. Dette efterfølges af den energioverførsel, der starter motorisk bevægelse. Heldigvis, designet fungerede meget effektivt.

Drøm

"Efter mange års design af molekylære motorer, at være i stand til at overvinde behovet for højenergi UV-lys til at drive disse molekylære rotationsmotorer er som en drøm, der går i opfyldelse, " siger Ben Feringa. "Jeg føler, at vores resultater repræsenterer en vigtig milepæl i designet af kunstige molekylære motorer og tilbyder mange muligheder for fremtidige anvendelser, lige fra responsive materialer til biomolekylære systemer."

Det næste trin er at forenkle strukturen af ​​motor-antennekomplekset. Det ville tillade indførelse af yderligere funktionaliteter. En mulig anvendelse af det nye motormolekyle er at fungere som en trigger til at frigive indholdet af en vesikel i et biologisk system. Pshenichnikov:"Jeg er virkelig nysgerrig efter at se, hvordan den næste generation af dette system vil udvikle sig."

Enkel videnskabsoversigt

I 1999 Ben Feringa, professor i organisk kemi ved universitetet i Groningen, skabte den første lysdrevne molekylære motor. Disse bittesmå motorer kan bruges i alle former for nanoteknologiske applikationer, for eksempel ved levering af lægemidler. Imidlertid, de er drevet af ultraviolet lys, hvilket kan være skadeligt. Forskere har ledt efter måder at bruge nær-infrarødt lys i stedet for, men alle forsøg indtil videre har været forgæves. Forskere fra University of Groningen har nu designet en antenne, der absorberer energi fra nær-infrarødt lys. Denne antenne var fastgjort til motormolekylet, hvor den overfører energien direkte til akslen, der driver motorens bevægelse. Resultatet er et motormolekyle, der drives af nær-infrarødt lys, som bringer medicinske applikationer et skridt nærmere.