Med hjälp av ultrasnabb spektroskopi och kvantmekaniska beräkningar, Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har forskare karakteriserat den fullständiga rotationscykeln för den ljusdrivna, kemisk motormolekyl hemithioindigo.

Kemist Dr Henry Dube, leder en Emmy Noether Junior Research Group, har utvecklat en molekylär maskin baserad på molekylen hemithioindigo (HTI). Den uppvisar enkelriktad rotationsrörelse kring en specifik kemisk bindning när den utsätts för ljus. I samarbete med prof. Eberhard Riedle från BioMolekulare Optik och fysikern Regina de Vivie-Riedle, han har nu löst dynamiken i hela rotationsmekanismen. Fynden visas i Journal of the American Chemical Society (JACS) .

Hemithioindigo innehåller en central kol-kol dubbelbindning (C=C). Denna typ av bindning kan genomgå en reversibel, ljusberoende strukturförändring känd som fotoisomerisering, som normalt inte är riktad. I tidigare arbeten, Dube hade visat att HTI kan fungera som grunden för en molekylär motor vars rörelse kan kontrolleras exakt. I den HTI-baserade molekylära motorn, en följd av steg med fotoisomerisering och termisk helixinversion får den centrala dubbelbindningen att rotera enkelriktat med en hastighet av upp till 1 kHz vid rumstemperatur. Medan de flesta andra kemiska motorer kräver ultraviolett ljus med hög energi för att driva dem, HTI-motorn kan drivas med synligt ljus. Denna funktion utökar dess användningsområde och ökar dess potential för användning i biologiska och medicinska sammanhang.

Teamet har nu karakteriserat dynamiken i enkelriktad rotation i HTI-motorn med hjälp av en mängd ultrasnabba spektroskopiska tekniker för att särskilja mellantillstånden i rotationscykeln. Genom att jämföra dessa resultat med detaljerade kvantmekaniska beräkningar av möjliga reaktionsvägar, de kunde konstruera en exakt kvantitativ modell av denna nanomaskins funktion. Resultaten visar att rotationen förblir enkelriktad även vid rumstemperatur, och avslöja hur rotationshastigheten mest effektivt kan uppgraderas. Hela rotationscykeln löses upp i fyra konformations- och energitillstånd, och sannolikheterna och hastigheterna för övergångarna mellan dem bestämdes för första gången. De relevanta tidsskalorna för dessa övergångar varierar från pikosekunder (10-12 s) till millisekunder (10-3 s). Alla relevanta steg övervakades framgångsrikt spektroskopiskt under samma förhållanden, dvs över ett område som spänner över nio storleksordningar.

"Vår omfattande analys ger oöverträffad funktionell insikt i hur sådana molekylära motorer fungerar. Vi har nu en fullständig bild av denna molekyls rotationsrörelse, som vi kan utnyttja för att utveckla nya tillvägagångssätt för motordesign som bättre utnyttjar ljusenergi och därmed är mer effektiva, säger Dube.