Molekylær motorer:Kemisk karrusel roterer i kulde

Molekylære motorer, som roterer ensrettet som svar på en ekstern energitilførsel, udgør en vigtig klasse af komponenter til fremtidige anvendelser inden for nanoteknologi. Molekyler, hvis struktur og rumlige konformation kan ændres af lys, er særligt lovende kandidater til denne opgave. Imidlertid, alle lysdrevne molekylære motorer hidtil beskrevet er afhængige af reaktioner, der kræver tilførsel af varme og er derfor afhængige af en vis minimumstemperatur i omgivelserne. LMU-kemikeren Henry Dube har nu opnået et afgørende gennembrud i denne henseende. Sammen med sin elev Aaron Gerwien, han har udviklet den første molekylære motor, der roterer ved eksponering for lys alene, uanset temperaturen. Ikke alene er dens drift ikke betinget af en bestemt minimumstemperatur - den roterer faktisk hurtigere ved lavere temperaturer. Denne unikke egenskab ved det nye molekyle kan betydeligt udvide rækken af ​​applikationer, der er tilgængelige for fremtidige nanomaskiner. LMU-forskerne har netop rapporteret deres resultater i Journal of the American Chemical Society .

Den væsentlige egenskab, der gør et syntetisk kemikalie til en molekylær rotationsmotor, er, at en ekstern energikilde kan få en komponent af molekylet til at rotere ensrettet. Hver 360° rotation foregår i diskrete trin som tikken af ​​en urviser. Den vanskelige del er at sikre, at hvert fremadgående skridt ikke går i bakgear. Alle de hidtil beskrevne molekylære motorer har brugt det, der kaldes en skraldemekanisme for at forhindre sådanne reverseringer. Tanken er, at efter hvert fremadgående trin ændrer et skraldetrin molekylets konfiguration på en sådan måde, at den omvendte reaktion hæmmes sterisk. De konformationelle ændringer, der er nødvendige for at opnå dette, induceres normalt af varme. Som resultat, rotationshastigheden afhænger af den omgivende temperatur, og under en vis minimumstemperatur ophører bevægelsen.

Ligesom tidligere motorsystemer udviklet af Dube og hans kolleger, den nye motor er baseret på et organisk stof kaldet hemithioindigo. Dette molekyle består af to forskellige kulstofskeletter, som er forbundet med en mobil dobbeltbinding. "Det er lykkedes os at modificere molekylet således, at en fuldstændig rotation af det ene af de strukturelle moduler i forhold til det andet kun kræver tre reaktionstrin, " siger Dube. Hvert rotationstrin aktiveres af synligt lys, og der er ikke behov for mellemliggende, termisk drevne skraldetrin. Ja, alle tre trin involveret i den fulde rotation fremmes af en reduktion i temperaturen, så rotationshastigheden af ​​de nye molekyler faktisk stiger ved lavere temperaturer. "Hvert rotationstrin består af tre forskellige fotoreaktioner, to af dem har vi eksperimentelt demonstreret direkte for første gang i år, " Dube forklarer. Forskerne er overbeviste om, at deres motors nye drivmekanisme og unikke adfærd vil gøre det muligt i en ikke alt for fjern fremtid for forskere at syntetisere molekylære maskiner, som, takket være deres relative ufølsomhed over for den præcise miljøtemperatur, vil muliggøre unikke applikationer, som ikke er mulige med hidtil kendte motorer.