Ett team av forskare har använt mikrovågor för att reda ut den exakta strukturen hos en liten molekylär motor. Nanomaskinen består av bara en enda molekyl, består av 27 kol- och 20 väteatomer (C27H20). Som en makroskopisk motor har den en stator och en rotor, förbunden med en axel. Analysen avslöjar hur de enskilda delarna av motorn är konstruerade och arrangerade i förhållande till varandra. Teamet som leds av DESY Leading Scientist Melanie Schnell rapporterar resultaten i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Den artificiella molekylära motorn syntetiserades av teamet av den nederländska nobelpristagaren Ben Feringa från University of Groningen som är medförfattare till uppsatsen. Feringa tilldelades 2016 års Nobelpris i kemi tillsammans med Jean-Pierre Sauvage från University of Strasbourg och Sir Fraser Stoddart från Northwestern University i USA för design och syntes av molekylära maskiner.

"Den funktionella prestandan hos sådana nanomaskiner framgår tydligt av deras unika strukturella egenskaper, " skriver författarna i sin studie. "För att bättre förstå och optimera molekylärt maskineri är det viktigt att känna till deras detaljerade struktur och hur denna struktur förändras under viktiga mekaniska steg, helst under förhållanden där systemet inte störs av yttre påverkan."

Den roterande motorn som undersöks här lovar mycket för en hel del applikationer, som försteförfattaren Sérgio Domingos från DESY och Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) förklarar:"Kemister är alla sura om den här molekylen och försöker koppla ihop den med en rad andra molekyler." När den aktiveras av ljus, nanomaskinen arbetar genom på varandra följande fotokemiska och termiska steg, slutföra ett halvt varv. En andra avtryckare tvingar sedan motorn att slutföra ett helt varv, återgå till sitt utgångsläge.

"En sådan aktivering av ljus är idealisk eftersom den ger ett icke-invasivt och mycket lokaliserat sätt att fjärraktivera motorn, " säger Domingos. "Det kan användas, till exempel, som en effektiv motorisk funktion som kan integreras med ett läkemedel, etablera kontroll över dess verkan och släppa den på en exakt riktad plats i kroppen:framtidens ljusaktiverade droger. Men även tillämpningar som ljusaktiverad katalys och överföring av rörelse på molekylär nivå till den makroskopiska världen kommer att tänka på. För sådana applikationer är det viktigt att förstå motormolekylens exakta struktur och hur den fungerar i detalj."

Motormolekylens atomära sammansättning hade undersökts tidigare med röntgenstrålar. För röntgenanalysen måste molekylerna först odlas till kristaller. Kristallerna diffrakterar sedan röntgenstrålarna på ett karakteristiskt sätt, och från det resulterande diffraktionsmönstret kan arrangemanget av atomer beräknas. "I kontrast, vi undersökte fritt flytande, isolerade molekyler i en gas, " förklarar Schnell, som arbetar på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), ett samarbete mellan DESY, universitetet i Hamburg och Max Planck Society. "På detta sätt kan vi se molekylen som den är, fri från yttre påverkan som lösningsmedel eller bindningar."

För att bestämma deras struktur, de fritt flytande molekylerna var tvungna att exponeras för ett resonant mikrovågsfält. "Vi använde ett elektromagnetiskt fält för att orientera molekylerna alla i samma riktning på ett sammanhängande sätt och registrerade sedan deras avslappning när fältet stängs av, " förklarar Schnell, som också leder en forskargrupp vid MPSD och är professor i fysikalisk kemi vid universitetet i Kiel. "Detta avslöjar de så kallade rotationskonstanterna för molekylen, som i sin tur ger oss korrekt information om dess strukturella arrangemang."

Denna analys av denna så kallade mikrovågsspektroskopi är inte okomplicerad. När det gäller motormolekylen, forskarna var tvungna att matcha mer än 200 linjer i spektrumet och jämföra deras antal med simuleringar från kvantkemiberäkningar. "När det gäller antalet atomer, molekylmotorn är för närvarande den största molekylen vars struktur har lösts med mikrovågsspektroskopi, " förklarar Schnell.

För att flyta molekylerna i mikrovågskammaren, de var tvungna att värmas upp till 180 grader Celsius innan de kyldes ner snabbt till minus 271 grader. "Uppvärmning fick några av motorerna att falla isär, brott på axeln, " rapporterar Domingos. "På detta sätt kunde vi se rotorn och statorn oberoende av varandra, bekräftar deras strukturer. Detta ger oss också en ledtråd om mekanismen genom vilken den faller isär."

Den slutliga analysen indikerar några små avvikelser från strukturen bestämd med röntgenstrålar, där molekylerna interagerar med varandra i en kristall. "Detta visar att motorns struktur otvetydigt påverkas av dess miljö, säger Domingos. Ännu viktigare, mikrovågstekniken öppnar möjligheten att studera dynamiken hos motormolekylen. "Nu när vi kan se molekylen som den verkligen är, we want to catch it in action, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.