Kemikere laver cykellignende molekylær drift

Molekylære biler har været kendt i nogen tid, men forskere fra University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) og University of Murcia har nu syntetiseret molekyler, der fungerer som en cykels pedaler. Tændes af lys, molekylerne kan bruges som molekylære switches, der baner vejen for design af funktionelle molekylære systemer, der er effektive under alvorlige rumlige begrænsninger.

Forskningen vil blive vist i det kommende printnummer af Angewandte Chemie International Edition (offentliggøres 12. februar). Den medfølgende forsidebillede fremhæver værkets betydning.

Molekyler, der kan skiftes af lys for at ændre deres struktur, er vigtige byggesten til fotoresponsiv molekylær nanoteknologi. En stor ulempe ved mange i øjeblikket tilgængelige molekylære switches er, at de kræver et relativt stort frit volumen for at vende mellem deres to strukturelle tilstande. Prototypiske eksempler er molekyler, hvor isomerisering af en dobbeltbinding forekommer, såsom Nobelpristagerens Ben Feringas rotormolekyler. I mange praktiske anvendelser, for eksempel ved katalyse, lægemiddellevering eller molekylære computere, der er simpelthen ikke plads nok til så stor bevægelse. At finde nye kemiske motiver, der gør det muligt at skifte med kun det minimale volumen, er derfor af stor relevans for dette hurtigt voksende felt.

For nylig, Professor Jose Berna fra University of Murcia har foreslået en ny klasse af azodicarboxamidbaserede molekylære switches. Disse er afledt af en modifikation af azodelen i azobensen-en af ​​de mest anvendte komponenter i 'lysomskiftelige' materialer. Da de nye systemer - i modsætning til azobenzener - ikke længere er plane, det var forventet, at de ville udvise forskellige former for bevægelse ved bestråling med lys. Indtil nu, imidlertid, undersøgelser af den faktiske bevægelse, der fandt sted, forblev uden for rækkevidde.

For at undersøge den nøjagtige funktionsmåde for de azodicarboxamidbaserede molekylære switches, Dr. Saeed Amirjalayer ved universitetet i Amsterdam satte sig for at måle deres vibrationsfrekvenser ved hjælp af ekstremt korte pulser af infrarødt lys (med en varighed på mindre end en billionion af et sekund). Disse frekvenser er et fingeraftryk af den molekylære struktur og giver dermed et direkte middel til at fastslå præcis, hvordan molekylet ændrer sin struktur efter at være blevet aktiveret af lys.

Som det viste sig, viser disse switche faktisk en switch -mekanisme, der er helt anderledes i forhold til standard switches. Hvor sidstnævnte udviser storskala rotation omkring en binding, de nye molekyler fungerer som bundbeslaget og pedalerne på en cykel. De gør ikke, imidlertid, udføre en fuld rotation, men bevæg frem og tilbage. Ved hjælp af avancerede kvantekemiske beregninger blev det fastslået, at molekylerne bliver plane ved lysabsorption og vender tilbage, når de vender tilbage til deres jordtilstand.

Den slående egenskab ved pedalo -bevægelsen er, at den ledsages af minimale forskydninger af de involverede atomer. Molekylet forbliver således mere eller mindre fast i rummet og har kun brug for et minimalt skiftevolumen. Dette giver muligheder for applikationer, hvor bevægelse på molekylært niveau er stærkt begrænset, såsom i fast tilstand, på overflader, eller ved indlejring i polymerer.