At sætte en nanomaskine i gang

Et team af kemikere ved LMU har med succes koblet den rettede bevægelse af en lysaktiveret molekylær motor til en anden kemisk enhed - og dermed taget et vigtigt skridt mod realiseringen af ​​syntetiske nanomaskiner.

Molekylærmotorer er kemiske forbindelser, der omdanner energi til rettede bevægelser. For eksempel, det er muligt at få en substituent knyttet til en specifik kemisk binding til at rotere ensrettet, når den udsættes for lys af en bestemt bølgelængde. Molekyler af denne art er derfor af stor interesse som drivenheder for nanomaskiner. Imidlertid, for at udføre nyttigt arbejde, disse motorer skal integreres i større samlinger på en sådan måde, at deres mekaniske bevægelser effektivt kan kobles til andre molekylære enheder. Indtil nu, dette mål er forblevet uden for rækkevidde. LMU kemiker Dr. Henry Dube er en kendt specialist inden for molekylære motorer. Nu har han og hans team taget et vigtigt skridt i retning af at nå dette mål. Som de beretter i det anerkendte tidsskrift Angewandte Chemie , det er lykkedes dem at koble en kemisk motors ensrettede bevægelse til en modtagerenhed, og demonstrerede, at motoren ikke kun kan få modtageren til at rotere i samme retning, men samtidig accelerere dens rotation betydeligt.

Den molekylære motor i Dubes opsætning er baseret på molekylet hemithioindigo, som indeholder en mobil carbon dobbeltbinding (-C=C-). Når forbindelsen udsættes for lys af en bestemt bølgelængde, denne binding roterer ensrettet. "I et papir udgivet i 2018, vi var i stand til at vise, at denne retningsbestemte dobbeltbindingsrotation kunne overføres ved hjælp af et molekylært 'kabel' til enkeltkulstofbindingsrotationen af ​​en sekundær molekylær enhed." siger Dube. "Denne enkeltbinding selv roterer tilfældigt under indflydelse af temperatur udsving. Men, takket være den fysiske kobling mellem dem, den ensrettede bevægelse af den lysdrevne motor overføres til enkeltbindingen, som er tvunget til at rotere i samme retning."

For at verificere, at den "motoriserede" binding aktivt drev bevægelsen af ​​enkeltbindingen, og ikke blot forspænder dens rotationsretning, Dube og kolleger tilføjede en bremse til systemet, der reducerede den termiske bevægelse af enkeltbindingen. Modifikationen sikrede, at motoren skulle bruge energi for at overvinde virkningen af ​​bremsen for at få enkeltbindingen til at rotere. "Dette eksperiment gjorde det muligt for os at bekræfte, at motoren virkelig bestemmer rotationshastigheden af ​​enkeltbindingen - og faktisk øger den med flere størrelsesordener, " forklarer Dube.

Taget sammen, disse resultater giver et hidtil uset detaljeret indblik i, hvordan en integreret molekylær maskine fungerer. Ud over, den eksperimentelle opsætning gjorde det muligt for forfatterne at kvantificere den potentielle energi, der var tilgængelig for at drive nyttigt arbejde, hvilket giver den første indikation af, hvor meget arbejde der effektivt kan udføres af en enkelt molekylær motor under realistiske forhold. "Vores næste udfordring bliver at demonstrere, at den energi, der transmitteres i dette system, faktisk kan bruges til at udføre nyttigt arbejde på molekylær skala, " siger Dube.