Molekylære krystalmotorer bevæger sig som mikrober, når de udsættes for lys

Forskerne er i gang med at karakterisere de anthracen-baserede molekyler og bruge dem som byggesten til at skabe flere molekylære krystalmotorer. Deres lysaktiverede menageri omfatter nu lange slangelignende reb og en meget behåret edderkop, der kan bøje, hoppe, vride og danse.

Al-Kaysi, en organisk kemiker ved King Saud bin Abdulaziz University for Health Sciences og King Abdullah International Medical Research Center, har arbejdet med Bardeen, en professor i kemi ved University of California, Riverside, i mere end to årtier om fotomekaniske krystaller.

Disse "smarte" krystaller omdanner energi, de absorberer fra lys, til mekanisk arbejde og karakteriseres typisk som termisk reversible eller fotokemisk reversible. Med andre ord vendes krystallernes indledende bevægelse som reaktion på lysstimulus med en anden stimulus af henholdsvis varme eller lys. En tredje delmængde af disse smarte krystaller får dog mere opmærksomhed fra kemikere som Al-Kaysi og Bardeen på grund af deres evne til at opretholde kontinuerlig, oscillerende bevægelse, når de udsættes for en enkelt lyskilde.

De fotoreaktive molekyler i Al-Kaysis bibliotek er udgangspunktet for fremstilling af molekylære krystalmotorer. Hvert af molekylerne indeholder tre segmenter:et anthracensegment, en carbondobbeltbinding og en tilpasselig "hovedgruppe" på den anden side af carbonbindingen. Antracen absorberer lys og overfører energien til kulstofdobbeltbindingen, der fungerer som molekylets aksel. Derefter bestemmer hovedgruppen molekylets krystalpakningsstruktur, form og adfærd.

Når antracenmolekylerne er syntetiseret, sprøjtes de ind i en sæbeopløsning, hvor de pakkes sammen i en proces, der kaldes krystalteknik. Disse krystalliserede klumper bruges som "frø" og placeres i en anden sæbeopløsning med flere af anthracenmolekylerne, hvor de selv samler sig til større former - typisk stænger og ledninger.

Nogle af disse strukturer samler sig selv til endnu mere komplekse former, der er synlige med det blotte øje. Mens selvmonteringen af ​​motoren for det meste er tilfældig, leder forskerne efter måder at styre den ved at variere væskens temperatur og sæbeevne og ved at omrøre væsken ved forskellige hastigheder.

Når de er oplyst i deres sæbeopløsning, viser motorerne indviklede og kontinuerlige 3D-bevægelser. Forskerne kan justere en motors bevægelse ved at justere lysintensitet og bølgelængde. På molekylært plan er bevægelsen drevet af fotoisomerisering omkring kulstofdobbeltbindingen, ved forskerne. Men de er stadig ved at undersøge, hvordan molekylerne koordinerer denne adfærd over hele den molekylære krystalmotor.

I demonstrationer fandt forskerne ud af, at motorerne er bemærkelsesværdigt holdbare og viser ingen tegn på træthed efter timers lyseksponering. Og fordi de er krystalbaserede, har de en medfødt modstandsdygtighed over for korrosion og elektromagnetisk interferens og tilbyder et "ekstraordinært" vægt-til-effekt-forhold. Disse egenskaber gør ifølge forskerne de molekylære krystalmotorer særligt velegnede til biomedicinske applikationer, mikromaskiner og mikrosatellitter.

Al-Kaysi og Bardeen siger, at deres grundlæggende videnskabelige opdagelser ved hjælp af en "ingeniørs berøring" har potentialet til at løse problemer i den virkelige verden, såsom lysaktiverede molekylære maskiner til medicinafgivelse og arrays, der dirigerer vandstrømmen omkring en skibsskrog.

Leveret af American Chemical Society