Lysstyret nanomaskine styrer katalyse

Visionen om fremtiden for miniaturisering har produceret en række syntetiske molekylære motorer, der drives af en række energikilder og kan udføre forskellige bevægelser. En forskergruppe ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu formået at styre en katalysereaktion ved hjælp af en lysstyret motor. Dette bringer os et skridt tættere på at realisere visionen om en nanofabrik, hvor kombinationer af forskellige maskiner arbejder sammen, som det er tilfældet i biologiske celler. Resultaterne er blevet offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Mekaniske love kan ikke altid anvendes

Per definition, en motor omdanner energi til en bestemt type kinetisk energi. På molekylært niveau, for eksempel, proteinet myosin kan producere muskelsammentrækninger ved hjælp af kemisk energi. Sådanne nanomaskiner kan nu fremstilles syntetisk. Imidlertid, de anvendte molekyler er meget mindre end proteiner og væsentligt mindre komplekse.

"Den mekaniske fysiks love kan ikke blot anvendes på det molekylære niveau, " siger prof. dr. Henry Dube, Lærer for Organisk Kemi I ved FAU. Træghed, for eksempel, eksisterer ikke på dette niveau, forklarer han. Udløst af Brownsk bevægelse, partikler er konstant i bevægelse. "At aktivere en roterende motor er ikke nok, du skal indbygge en type skraldemekanisme, der forhindrer den i at dreje baglæns, " forklarer han.

I 2015 på LMU i München, Prof. Dube og hans team udviklede en særlig hurtig molekylær motor drevet af synligt lys. I 2018, de udviklede den første molekylære motor, der udelukkende drives af lys og fungerer uafhængigt af den omgivende temperatur. Et år senere, de udviklede en variant, der ikke kun var i stand til at rotere, men også til at udføre en ottetalsbevægelse. Alle motorer er baseret på hemithioindigo-molekylet, en asymmetrisk variant af det naturligt forekommende farvestof indigo, hvor et svovlatom træder i stedet for nitrogenatomet. Den ene del af molekylet roterer i flere trin i modsat retning af den anden del af molekylet. De energidrevne trin udløses af synligt lys og modificerer molekylerne, så omvendte reaktioner blokeres.

Standard katalysatorer i brug

Efter at være kommet til FAU, Henry Dube brugte den roterende motor udviklet i 2015 til at styre en separat kemisk proces for første gang. Den bevæger sig i fire trin rundt om hemithioindigoens kulstofdobbeltbinding. To af de fire trin, der udløses af en fotoreaktion, kan bruges til at styre en katalysereaktion. "Grønt lys genererer en molekylær struktur, der binder en katalysator til hemithioindigoen, og blåt lys frigiver katalysatoren, " forklarer kemikeren.

Der anvendes en standardkatalysator, der ikke har nogen metalatomer. Ved hjælp af elektrostatiske kræfter, katalysatoren kobles via en hydrogenbinding til et oxygenatom i "motormolekylet." Alle katalysatorer, der bruger en hydrogenbinding, kunne bruges, i princippet. "Den store fordel ved hemithioindigo er, at dens medfødte struktur har en bindingsmekanisme til katalysatorer, " forklarer prof. Dube. Det ville ellers skulle tilføjes ved hjælp af kemisk syntese.

Rotationen af ​​hemithioindigo-motoren styres af synligt lys. På samme tid, systemet tillader målrettet frigivelse og binding af en katalysator, der accelererer eller decelererer ønskede kemiske reaktioner. "Dette projekt er et vigtigt skridt i retning af at integrere molekylære motorer i kemiske processer enkelt og på en række forskellige måder, " siger prof. Dube. "Dette vil give os mulighed for at syntetisere kompleks medicin på et højt niveau af præcision ved hjælp af molekylære maskiner som en produktionslinje i fremtiden."