Molekylära bilar har varit kända sedan en tid tillbaka, men forskare från universitetet i Amsterdams Van 't Hoff-institut för molekylära vetenskaper (HIMS) och universitetet i Murcia har nu syntetiserat molekyler som fungerar som pedaler på en cykel. Drivs av ljus, molekylerna kan användas som molekylära switchar som banar väg för design av funktionella molekylära system som är effektiva under allvarliga rumsliga restriktioner.
Forskningen kommer att visas i det kommande tryckta numret av Angewandte Chemie International Edition (kommer att publiceras 12 februari). Den bifogade framsidans illustration framhäver vikten av arbetet.
Molekyler som kan växlas av ljus för att ändra sin struktur är viktiga byggstenar för fotoresponsiv molekylär nanoteknik. En stor nackdel med många för närvarande tillgängliga molekylära omkopplare är att de kräver en relativt stor fri volym för att vända mellan sina två strukturella tillstånd. Prototypiska exempel är molekyler där isomerisering av en dubbelbindning sker, såsom Nobelpristagarens Ben Feringa rotormolekyler. I många praktiska tillämpningar, till exempel vid katalys, läkemedelstillförsel eller molekylära datorer, det finns helt enkelt inte tillräckligt med utrymme för så storskalig rörelse. Att hitta nya kemiska motiv som möjliggör omkoppling med endast minimal volym är därför av stor relevans för detta snabbt växande område.
Nyligen, Prof. Jose Berna vid University of Murcia har föreslagit en ny klass av azodikarboxamidbaserade molekylära switchar. Dessa är härledda från en modifiering av azodelen i azobensen - en av de mest använda komponenterna i "ljusomkopplingsbara" material. Eftersom de nya systemen - i motsats till azobensener - inte längre är plana, man förväntade sig att de skulle uppvisa olika typer av rörelse vid bestrålning med ljus. Tills nu, dock, studier av den faktiska rörelsen som äger rum förblev utom räckhåll.
För att undersöka det exakta arbetssättet för de azodikarboxamidbaserade molekylära switcharna, Dr Saeed Amirjalayer vid universitetet i Amsterdam bestämde sig för att mäta deras vibrationsfrekvenser med extremt korta pulser av infrarött ljus (med en varaktighet på mindre än en biljondels sekund). Dessa frekvenser är ett fingeravtryck av molekylstrukturen och erbjuder därmed ett direkt sätt att fastställa exakt hur molekylen ändrar sin struktur efter att ha aktiverats av ljus.
Det visade sig att dessa omkopplare verkligen uppvisar en omkopplingsmekanism som är helt annorlunda jämfört med standardomkopplarna. Där de senare uppvisar storskalig rotation runt en bindning, de nya molekylerna fungerar som vevfästet och pedalerna på en cykel. De gör inte, dock, utföra en hel rotation, men flytta fram och tillbaka. Med hjälp av avancerade kvantkemiska beräkningar fastställdes att molekylerna blir plana genom ljusabsorption och vevar tillbaka när de återgår till sitt grundtillstånd.
Det slående kännetecknet för tramprörelsen är att den åtföljs av minimala förskjutningar av de inblandade atomerna. Molekylen förblir alltså mer eller mindre fixerad i rymden och behöver bara en minimal växlingsvolym. Detta erbjuder möjligheter för tillämpningar där rörelse på molekylär nivå är kraftigt begränsad, såsom i fast tillstånd, på ytor, eller vid inbäddning i polymerer.
