Mere effektiv molekylær motor udvider potentielle anvendelser

Lysdrevne molekylære motorer blev først udviklet for næsten 25 år siden ved University of Groningen, Holland. Dette resulterede i en delt Nobelpris i kemi til professor Ben Feringa i 2016. Det viste sig dog at være en udfordring at få disse motorer til at fungere. Et nyt papir fra Feringa-laboratoriet, offentliggjort i Nature Chemistry den 26. april, beskriver en kombination af forbedringer, der bringer virkelige applikationer tættere på.

Første forfatter Jinyu Sheng, nu postdoktor ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (ISTA), tilpassede en "første generation" lysdrevet molekylær motor i løbet af sin ph.d. undersøgelser i Feringa-laboratoriet. Hans hovedfokus var at øge effektiviteten af ​​motormolekylet. "Det er meget hurtigt, men kun 2% af de fotoner, som molekylet absorberer, driver den roterende bevægelse."

Denne dårlige effektivitet kan komme i vejen for virkelige applikationer. "Desuden ville øget effektivitet give os bedre kontrol over bevægelsen," tilføjer Sheng. Den roterende bevægelse af Feringas molekylære motor foregår i fire trin:to af dem er fotokemiske, mens to er temperaturdrevne. Sidstnævnte er ensrettede, men de fotokemiske trin forårsager en isomerisering af molekylet, som normalt er reversibel.

Sheng satte sig for at forbedre procentdelen af ​​absorberede fotoner, der driver roterende bevægelse. "Det er meget svært at forudsige, hvordan dette kan gøres, og i sidste ende opdagede vi ved et uheld en metode, der virkede." Sheng tilføjede en aldehydfunktionel gruppe til motormolekylet som et første trin i yderligere transformation.

"Men jeg besluttede mig for at teste den motoriske funktion af denne mellemversion og fandt, at den var meget effektiv på en måde, som vi aldrig havde set før."

Til dette samarbejdede han med Molecular Photonics-gruppen ved Van 't Hoff Instituttet for Molekylær Videnskab ved Universitetet i Amsterdam. Ved hjælp af avanceret laserspektroskopi og kvantekemiske beregninger blev de elektroniske henfaldsveje kortlagt, hvilket gav detaljeret indsigt i den molekylære motors funktion.

Ydermere blev det klart, at tilpasningen faktisk gav Sheng bedre kontrol over molekylets roterende bevægelse. Som nævnt før roterer den molekylære motor i fire diskrete trin. Sheng siger:"Tidligere, hvis vi bestrålede et parti motorer med lys, ville vi få en blanding af motorer på forskellige stadier af rotationscyklussen. Efter modifikationen var det muligt at synkronisere alle motorer og kontrollere dem på hvert trin."

Dette åbner op for alle mulige muligheder. For eksempel kunne motorerne bruges som et chiralt dopingmiddel i flydende krystaller, hvor de forskellige positioner ville skabe forskellige reflektionsfarver. I papiret præsenterer Sheng og hans kolleger et eksempel på dette. Andre anvendelser kunne for eksempel være kontrol af molekylær selvsamling.

Tilføjelsen af ​​en aldehydgruppe til motormolekylet har også en anden interessant effekt:den flytter absorptionen af ​​lys til en længere bølgelængde. Da længere bølgelængder trænger længere ind i levende væv eller bulkmateriale, betyder det, at motorerne kunne arbejde meget mere effektivt i medicinske applikationer og materialevidenskab, fordi mere lys vil nå motormolekylet, mens dette også vil bruge fotonerne mere effektivt.

"En række af vores kolleger arbejder nu sammen med os på denne nye molekylære motor til forskellige applikationer," siger Sheng. Han forventer flere artikler om dette emne i den nærmeste fremtid. I mellemtiden er der en anden udfordring for Feringa-laboratoriet:"Den molekylære motor er nu mere effektiv, men vi ved ikke præcis, hvorfor ændringen forårsager denne effekt. Vi arbejder i øjeblikket på det."

Flere oplysninger: Jinyu Sheng et al., Formylering booster ydeevnen af ​​lysdrevne overfyldte alken-afledte roterende molekylære motorer, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01521-0

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af University of Groningen