Forskere designer superhurtig molekylær motor

Lysdrevne molekylære motorer har eksisteret i over 20 år. Disse motorer tager typisk mikrosekunder til nanosekunder for en omdrejning. Thomas Jansen, lektor i fysik ved universitetet i Groningen, og kandidatstuderende Atreya Majumdar har nu designet en endnu hurtigere molekylær motor. Det nye design er kun drevet af lys og kan gøre en hel drejning på picosekunder ved hjælp af kraften fra en enkelt foton. Jansen siger, "Vi har udviklet et nyt out-of-the-box design til et motormolekyle, der er meget hurtigere." Designet blev offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters den 7. juni.

Det nye motormolekyledesign startede med et projekt, hvor Jansen ønskede at forstå energilandskabet af exciterede kromoforer. "Disse kromoforer kan tiltrække eller frastøde hinanden. Jeg spekulerede på, om vi kunne bruge dette til at få dem til at gøre noget, " forklarer Jansen. Han gav projektet til Atreya Majumdar, derefter førsteårsstuderende på Topmasteruddannelsen i Nanoscience i Groningen. Majumdar simulerede interaktionen mellem to kromoforer, der var forbundet til at danne et enkelt molekyle.

Lys

Majumdar, der nu er ph.d. studerende i nanovidenskab ved Université Paris-Saclay i Frankrig, siger, "En enkelt foton vil excitere begge kromoforer samtidigt, skaber dipoler, der får dem til at frastøde hinanden." Men da de hænger sammen, forbundet med en tredobbelt bindingsakse, de to halvdele skubber hinanden væk omkring aksen. "Under denne bevægelse, de begynder at tiltrække hinanden." Sammen, dette resulterer i en fuld rotation, genereret af lysenergien og den elektrostatiske kommunikation mellem de to kromoforer.

Den originale lysdrevne molekylære motor er udviklet af Jansens kollega Ben Feringa, professor i organisk kemi ved universitetet i Groningen og modtager af 2016 Nobelprisen i kemi. Denne motor laver en omdrejning i fire trin. To trin drives af lys og to er drevet af varme. "Varmetrinnene er hastighedsbegrænsende, " forklarer Jansen. "Molekylet skal vente på udsving i varmeenergien for at drive det til næste trin."

Flaskehalse

Derimod i det nye design, en rotation er helt ned ad bakke fra en ophidset tilstand. På grund af kvantedynamikkens love, en foton exciterer begge kromoforer samtidigt, så der er ingen store flaskehalse til at begrænse rotationshastigheden, som derfor er to til tre størrelsesordener større end de klassiske Feringa-motorer.

Alt dette er stadig teoretisk, baseret på beregninger og simuleringer. "At bygge en af ​​disse motorer er ikke trivielt, " siger Jansen. Kromoforerne er meget brugte, men lidt skrøbelige. At skabe en tredobbelt bindingsakse er heller ikke let. Jansen forventer, at nogen vil forsøge at bygge dette organiske molekyle, nu hvor dets egenskaber er blevet beskrevet. Og det er ikke ét specifikt molekyle, der har disse egenskaber, tilføjer Majumdar:"Vi har lavet en generel guide til design af denne type molekylær motor."

Blueprint

Jansen siger, at der er et par potentielle anvendelser:De kan bruges til at drive lægemiddellevering eller flytte objekter i nanoskala på en overflade, eller de kan bruges i andre nanoteknologiske applikationer. Og rotationshastigheden er langt over den gennemsnitlige biofysiske proces, så det kan bruges til at kontrollere biologiske processer. I simuleringerne motorerne var fastgjort til en overflade, men de vil også rotere i opløsning. Jansen siger, "Det vil kræve en masse ingeniørarbejde og tweaking at realisere disse motorer, men vores plan vil levere en helt ny type molekylær motor."