Molekylære motorer kører unisont i en metal-organisk ramme

For at molekylære motorer kan udnyttes effektivt, de skal kunne fungere i forening. Imidlertid, Det har vist sig at være noget af en udfordring at integrere milliarder af disse motorer i nanometerstørrelse i et enkelt system og få dem til at fungere sammen. Organiske kemikere ved Universitetet i Groningen er nu lykkedes med at integrere adskillige ensrettede lysdrevne roterende motorer i en metalorganisk ramme (et solidt materiale med en 3-D bur-lignende struktur). Detaljer om deres opdagelse blev offentliggjort den 18. marts, i journalen Natur nanoteknologi .

Lysdrevne roterende molekylære motorer blev først skabt af Ben Feringa, en organisk kemiker ved universitetet i Groningen. Prof. Feringa og to andre delte 2016 Nobelprisen i kemi for denne opdagelse. Grupper af forskellige typer molekylære motorer i nanoskala er blevet fastgjort til overflader og inkorporeret i geler, flydende krystaller og muskellignende fibre, hvor de kan udføre arbejde på en makroskala, gennem samarbejde. Imidlertid, skabelsen af ​​et ordnet array af disse motorer i et 3-D solid-state materiale har, indtil nu, forblev uden for vores rækkevidde.

Krystaller

Et team af forskere ved University of Groningen, ledet af Ben Feringa, Adjunkt Sander Wezenberg, og professor Wesley Browne, tog denne udfordring op. De har nu produceret et arbejdssystem indeholdende 3 x 10 ²⁰ (en tre efterfulgt af 20 nuller) lysdrevne ensrettede roterende motorer pr. kubikcentimeter, som alle kører i forening.

Forskerne anbragte motorerne i metal-organiske rammer (MOF'er), molekylære bure fremstillet af metaller med indbyrdes forbundne 'stag' af organiske molekyler. Bestilt 3-D stakke af disse molekylære bure danner krystaller. Når de først havde dyrket disse krystaller, holdet erstattede de lodrette søjler med motoriske molekyler, under anvendelse af en proces kendt som opløsningsmiddel-assisteret linkerudveksling. Det var ikke muligt at indsætte motorerne på et tidligere tidspunkt, da de ikke ville have været i stand til at modstå de nødvendige betingelser for at syntetisere MOF'erne.

Søjler

Statorkomponenterne i de molekylære motorer fungerer som søjlerne i burene, mens rotorkomponenterne forbliver frie inde i burene. Burene blev designet til at være store nok til at tillade motorerne at køre frit, uden hindring. Selve motorerne blev drevet ved at oplyse krystallen med UV-lys. Test på disse systemer viste, at motorerne overvejende var orienteret i samme retning, og at deres rotationshastighed svarede til de hastigheder, der blev opnået i væsker. Holdet var glade, da tidligere forsøg fra andre grupper på at inkorporere rotaxaner (en anden type molekylær maskine) i MOF'er viste, at disse motorer ikke var i stand til at køre frit.

Dermed, det er nu muligt at oprette en "motoriseret MOF, ", hvor et stort antal molekylære motorer er pakket tæt sammen for at skabe makroskopiske krystaller. I teorien, krystaller som denne kunne bruges til at kontrollere diffusionen af ​​gasser, eller de kunne fungere som lysdrevne pumper i mikrofluidiske systemer. En anden potentiel anvendelse ville være at fodre den motoriserede MOF med materialer, der derefter ville reagere inde i burene, før de blev pumpet ud igen.

Imidlertid, meget mere forskning er nødvendig, før nogen af ​​disse applikationer kan blive en realitet. Et potentielt problem, for eksempel, er, at materialer, der passerer gennem burene, kan forstyrre funktionen af ​​motorerne, får systemet til at tilstoppe. Alligevel, systemet præsenteret af prof. Feringa og hans team vil give et springbræt til yderligere udforskning af den kollektive opførsel af roterende motorer integreret i 3-D-arrays.