Hvordan man skifter gear i en molekylær motor

En undersøgelse offentliggjort i Chemistry—A European Journal præsenterer et proof-of-princippet design af molekylære motorer.

"Kunstige molekylære motorer er molekyler, der absorberer lys fra en ekstern kilde, såsom sollys, og omdanner energien i lys til kinetisk energi," siger Bo Durbeej, professor ved Linköpings Universitet (LiU), som ledede undersøgelsen.

"Molekylære motorer" lyder måske som science fiction, men i kroppen er der mange biologiske molekylære motorer, som driver muskler og transporterer stoffer inde i celler. Forskere i kemi og nanoteknologi har længe haft som mål at udvikle kunstige molekylære motorer, som kan være nyttige på flere områder i fremtiden. Mulige anvendelser inkluderer at bruge dem til at levere medicinsk medicin til det rigtige sted i kroppen eller til at lagre solenergi.

Men en motor i sig selv er ikke nok. En bil, der kun har en motor eller en motor, men uden hjul, ville ikke komme langt. Kraften fra motoren skal overføres - til hjulene, for bilens vedkommende - og det sker via en gearkasse. På samme måde er næste skridt i dette forskningsfelt at konstruere molekylære gear, der kan overføre den kinetiske energi fra en del af et molekyle til en anden. Fremtidige applikationer afhænger af at kunne bruge bevægelsen et andet sted, end hvor den blev oprettet.

"Mange forskere har længe forsøgt at konstruere molekylære tandhjul. Vi har udviklet et designprincip for, hvordan man overfører den roterende bevægelse til en anden del af et molekylært system og har fuldstændig kontrol over rotationsretningen. Tidligere design har ikke været i stand til at styre roterende bevægelse,« siger Bo Durbeej.

En stor udfordring ved at udvikle et molekylært fotogear er, at den del, du vil rotere, "propellen", er knyttet til resten af ​​molekylet med en enkelt binding. Enkeltbindinger roterer meget let, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere retningsbestemmelsen. Men det er nu lykkedes LiU-forskerne at løse dette problem ved at finde en funktionel kombination af flere faktorer, herunder afstanden mellem propellen og den del af molekylet, der udgør selve "motoren".

Forskerne har bekræftet, at deres design fungerer ved at lave beregninger og avancerede computersimuleringer på supercomputere på National Supercomputer Center i Linköping leveret af den svenske National Infrastructure for Computing, SNIC, og National Academic Infrastructure for Supercomputing i Sverige, NAISS.

"Vi har nu vist, at vores designprincip virker. Næste skridt er at udvikle molekylære fotogear, der er så lette som muligt at syntetisere," siger Durbeej.

Flere oplysninger: Enrique M. Arpa et al., A Proof-of-Principle Design for Through-Space Transmission of Unidirectional Rotary Motion by Molecular Photogears**, Chemistry—A European Journal (2023). DOI:10.1002/chem.202303191

Journaloplysninger: Kemi – et europæisk tidsskrift

Leveret af Linköping University