Forskere laver verdens hurtigste molekylære skytte

Takket være et smart kemisk design, Det er lykkedes forskere ved universitetet i Amsterdams Van 't Hoff Institut for Molekylær Videnskab (HIMS) at lave en meget hurtig molekylær maskine. De bevægelige dele flytter sig mere end én nanometer i forhold til hinanden på en rekordtid på 30 milliardtedele af et sekund. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Den molekylære maskine er en rotaxan, en molekylær struktur med et ringformet molekyle omkring et aflangt trådformet molekyle. Ringen kan bevæge sig fra den ene side af ledningen til den anden, ligesom en shuttle-bus.

Amsterdam-forskerne opnåede deres rekordhastighed takket være et nyt molekylært design, der gør det muligt for den ene side af ledningen at trække rumfærgen mod den, som det var. Ud over, de brugte et helt nyt koncept til at udløse bevægelsen, en fotokemisk syre-base reaktion.

Styring af bevægelse med lys

HIMS Molecular Photonics Group har i et stykke tid arbejdet på rotaxan-baserede molekylære motorer, hvis bevægelse kan styres af lys. I tilfælde af de enkleste rotaxaner, glideringen ikke har en foretrukken retning, så den bevæger sig tilfældigt over ledningen. I mere avancerede varianter, tråden indeholder molekylære "stationer", der introducerer en præference for ringen for bestemte steder på tråden. Ved kemisk at ændre disse stationer ved hjælp af lys, tuner deres tiltrækning til ringen, det er muligt at få ringen til at flytte fra en station til en anden. På denne måde et lysglimt af den rigtige farve kan styre bevægelse på en nanometerlængdeskala.

Dette princip er blevet anvendt med succes af Amsterdam-gruppen og andre steder (f.eks. forskningsgrupperne af nobelpristagere Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage og Ben Feringa). I øjeblikket, forskningsområdet for molekylære maskiner er stadig i sin vorden, men potentielle fremtidige anvendelser af sådanne omskiftelige molekylære motorer er, for eksempel, molekylære computere.

Det eneste problem med mekanismen er rejsetiden. Hvis ringen er på en bestemt station, og en anden station gøres mere attraktiv ved hjælp af lys, du skal bare vente, til ringen spontant forlader sin startstation, og ender derefter på den stærkere bindestation ved en tilfældig gåtur over tråden. Hvis ledningen er lang, denne proces kan tage lang tid.

Harpun mekanisme

Fred Brouwer og hans ph.d. studerende Tatu Kumpulainen kom med en løsning:de designede en molekylær maskine, hvor terminalen har en så stærk tiltrækning til ringen, at den deformerer ledningen, så stationen kan gribe ringen, og træk den derefter over ledningen til dens endelige destination (se billede). Denne såkaldte harpunmekanisme gjorde det muligt for dem at skabe en molekylær skytte med rekordhastighed. Molekylerne er lavet af en mester i organisk kemi:Bert Bakker. Han har været pensioneret i lang tid, men nyder stadig sit laboratoriearbejde.

For at måle hastigheden af ​​den molekylære shuttle, Brouwer og Kumpulainen arbejdede sammen med kollegerne Matthijs Panman og Sander Woutersen. De brugte en kort puls af ultraviolet lys til at fremkalde bevægelse af ringen, og derefter en anden impuls af infrarødt lys til at følge dets bevægelse. Den målte rekordtid var 30 nanosekunder for en tilbagelagt distance på en nanometer. Det betyder en gennemsnitshastighed på 3 cm i sekundet. Det kan virke langsomt, men det er 4000 gange hurtigere end det hurtigste biologiske motorprotein (myosin, som forårsager sammentrækning af vores muskler). En af fremtidens udfordringer er at få de små kunstige motoriske molekyler til at arbejde sammen ligesom de motoriske proteiner i vores muskler.