Molekylära motorer, som roterar enkelriktat som svar på en extern energitillförsel, utgöra en viktig klass av komponenter för framtida tillämpningar inom nanoteknikområdet. Molekyler vars struktur och rumsliga konformation kan förändras av ljus är särskilt lovande kandidater för denna uppgift. Dock, alla ljusdrivna molekylära motorer som hittills beskrivits är beroende av reaktioner som kräver tillförsel av värme och är därför beroende av en viss lägsta miljötemperatur. LMU-kemisten Henry Dube har nu fått ett avgörande genombrott i detta avseende. Tillsammans med sin elev Aaron Gerwien, han har utvecklat den första molekylära motorn som roterar vid exponering enbart för ljus, oavsett temperatur. Inte bara är dess funktion inte beroende av en specifik lägsta temperatur – den roterar faktiskt snabbare vid lägre temperaturer. Denna unika egenskap hos den nya molekylen kan avsevärt utöka utbudet av applikationer som är tillgängliga för framtida nanomaskiner. LMU-forskarna har just rapporterat sina resultat i Journal of the American Chemical Society .

Den väsentliga egenskapen som förvandlar en syntetisk kemikalie till en molekylär roterande motor är att en extern energikälla kan få någon komponent i molekylen att rotera enkelriktat. Varje 360° rotation sker i diskreta steg som tickande av en klockvisare. Det knepiga är att se till att varje steg framåt inte går bakåt. Alla de molekylära motorerna som hittills beskrivits har använt en så kallad spärrmekanism för att förhindra sådana omkastningar. Tanken är att efter varje steg framåt ändrar ett spärrsteg molekylens konfiguration på ett sådant sätt att den omvända reaktionen inhiberas steriskt. De konformationsförändringar som är nödvändiga för att uppnå detta induceras normalt av värme. Som ett resultat, rotationshastigheten är beroende av den omgivande temperaturen, och under en viss minimitemperatur upphör rörelsen.

Liksom tidigare motorsystem utvecklade av Dube och hans kollegor, den nya motorn är baserad på ett organiskt ämne som kallas hemithioindigo. Denna molekyl består av två olika kolskelett, som är förbundna med en mobil dubbelbindning. "Vi har lyckats modifiera molekylen så att en fullständig rotation av en av de strukturella modulerna i förhållande till den andra endast kräver tre reaktionssteg, " säger Dube. Varje rotationssteg aktiveras av synligt ljus och det finns inget behov av mellanliggande, termiskt drivna spärrsteg. Verkligen, alla tre stegen som är involverade i den fullständiga rotationen främjas av en temperatursänkning, så att rotationshastigheten för de nya molekylerna faktiskt ökar vid lägre temperaturer. "Varje rotationssteg består av tre olika fotoreaktioner, två av vilka vi experimentellt demonstrerade direkt för första gången bara i år, " Dube förklarar. Forskarna är övertygade om att deras motors nya drivmekanism och unika beteende kommer att göra det möjligt för forskare inom en inte alltför avlägsen framtid att syntetisera molekylära maskiner som, tack vare deras relativa okänslighet för den exakta miljötemperaturen, kommer att möjliggöra unika tillämpningar som inte är möjliga med hittills kända motorer.