Tack vare en smart kemisk design, forskare vid universitetet i Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) har lyckats göra en mycket snabb molekylär maskin. De rörliga delarna skiftar mer än en nanometer i förhållande till varandra på en rekordtid på 30 miljarddelar av en sekund. Resultaten publicerades nyligen i Journal of the American Chemical Society .

Den molekylära maskinen är en rotaxan, en molekylstruktur med en ringformad molekyl runt en långsträckt trådformad molekyl. Ringen kan röra sig från ena sidan av tråden till den andra, precis som en buss.

Amsterdamforskarna uppnådde sin rekordhastighet tack vare en ny molekylär design som gör det möjligt för ena sidan av tråden att dra skytteln mot den, som det var. Dessutom, de använde ett helt nytt koncept för att trigga rörelsen, en fotokemisk syra-basreaktion.

Styr rörelse med ljus

HIMS Molecular Photonics Group har arbetat ganska länge med rotaxanbaserade molekylära motorer där rörelsen kan styras av ljus. När det gäller de enklaste rotaxanerna, glidringen har inte en föredragen riktning, så den rör sig slumpmässigt över tråden. I mer avancerade varianter, tråden innehåller molekylära "stationer" som introducerar en preferens för ringen för vissa platser på tråden. Genom att kemiskt förändra dessa stationer med hjälp av ljus, ställa in sin attraktion till ringen, det är möjligt att få ringen att flytta från en station till en annan. På det här sättet, en ljusblixt av rätt färg kan styra rörelsen på en nanometerlängdsskala.

Denna princip har framgångsrikt tillämpats av Amsterdamgruppen och på andra håll (t.ex. Nobelpristagarnas forskargrupper Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage och Ben Feringa). Just nu, forskningsområdet för molekylära maskiner är fortfarande i sin linda, men potentiella framtida tillämpningar av sådana omkopplingsbara molekylära motorer är, till exempel, molekylära datorer.

Det enda problemet med mekanismen är restid. Om ringen är på en viss station, och en annan station görs mer attraktiv med hjälp av ljus, du måste bara vänta tills ringen spontant lämnar sin startstation, och hamnar sedan vid den starkare bindningsstationen genom en slumpmässig promenad över tråden. Om tråden är lång, denna process kan ta lång tid.

Harpunmekanism

Fred Brouwer och hans Ph.D. studenten Tatu Kumpulainen kom på en lösning:de designade en molekylär maskin där terminalstationen har en så stark attraktion till ringen att den deformerar tråden så att stationen kan ta tag i ringen, och dra den sedan över tråden till dess slutdestination (se bild). Denna så kallade harpunmekanism gjorde det möjligt för dem att skapa en molekylär skyttel med rekordhastighet. Molekylerna gjordes av en mästare i organisk kemi:Bert Bakker. Han har varit pensionerad sedan länge, men tycker fortfarande om sitt laboratoriearbete.

För att mäta hastigheten på den molekylära skytteln, Brouwer och Kumpulainen arbetade tillsammans med kollegorna Matthijs Panman och Sander Woutersen. De använde en kort puls av ultraviolett ljus för att inducera rörelse av ringen, och sedan en andra puls av infrarött ljus för att följa dess rörelse. Den uppmätta rekordtiden var 30 nanosekunder för ett tillryggalagt avstånd på en nanometer. Det innebär en medelhastighet på 3 cm per sekund. Det kan tyckas långsamt, men det är 4000 gånger snabbare än det snabbaste biologiska motorproteinet (myosin, som orsakar sammandragning av våra muskler). En av utmaningarna för framtiden är att få de små konstgjorda motormolekylerna att samarbeta precis som motorproteinerna i våra muskler.