Molekylær motor:Fire rotationstilstande

Ved hjælp af ultrahurtig spektroskopi og kvantemekaniske beregninger, Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har forskere karakteriseret den komplette rotationscyklus af de lysdrevne, kemisk motormolekyle hemithioindigo.

Kemiker Dr. Henry Dube, leder en Emmy Noether Junior Research Group, har udviklet en molekylær maskine baseret på molekylet hemithioindigo (HTI). Det udviser ensrettet rotationsbevægelse omkring en specifik kemisk binding, når den udsættes for lys. I samarbejde med prof. Eberhard Riedle fra BioMolekulare Optik og fysiker Regina de Vivie-Riedle, han har nu løst dynamikken i hele rotationsmekanismen. Resultaterne fremgår af Journal of the American Chemical Society (JACS) .

Hemithioindigo indeholder en central carbon-carbon dobbeltbinding (C=C). Denne type binding er i stand til at gennemgå en reversibel, lysafhængig strukturel ændring kendt som fotoisomerisering, som normalt ikke er retningsbestemt. I tidligere arbejde, Dube havde vist, at HTI kan tjene som grundlag for en molekylær motor, hvis bevægelse kan styres præcist. I den HTI-baserede molekylære motor, en række foto-isomeriserings- og termiske helix-inversionstrin får den centrale dobbeltbinding til at rotere ensrettet med en hastighed på op til 1 kHz ved stuetemperatur. Mens de fleste andre kemiske motorer kræver højenergi ultraviolet lys for at drive dem, HTI-motoren kan køres med synligt lys. Denne funktion udvider dens anvendelsesområde og øger dens potentiale til brug i biologiske og medicinske sammenhænge.

Holdet har nu karakteriseret dynamikken i ensrettet rotation i HTI-motoren ved hjælp af en række ultrahurtige spektroskopiske teknikker til at skelne mellem de mellemliggende tilstande i rotationscyklussen. Ved at sammenligne disse resultater med detaljerede kvantemekaniske beregninger af de mulige reaktionsveje, de var i stand til at konstruere en præcis kvantitativ model for driften af ​​denne nanomaskine. Resultaterne viser, at rotationen forbliver ensrettet selv ved stuetemperatur, og afsløre, hvordan rotationshastigheden mest effektivt kan opgraderes. Den fulde rotationscyklus opløses i fire konformations- og energitilstande, og sandsynligheden for og hastighederne for overgangene mellem dem blev bestemt for første gang. De relevante tidsskalaer for disse overgange varierer fra picosekunder (10-12 s) til millisekunder (10-3 s). Alle relevante trin blev overvåget med succes spektroskopisk under de samme betingelser, dvs. over et område, der spænder over ni størrelsesordener.

"Vores omfattende analyse giver hidtil uset funktionel indsigt i driften af ​​sådanne molekylære motorer. Vi har nu et komplet billede af rotationsbevægelsen af ​​dette molekyle, som vi kan udnytte til at udvikle nye tilgange til motordesign, der udnytter lysenergien bedre og dermed er mere effektive, " siger Dube.