Ljusdrivna molekylmotorer har funnits i över 20 år. Dessa motorer tar vanligtvis mikrosekunder till nanosekunder under ett varv. Thomas Jansen, docent i fysik vid University of Groningen, och masterstudenten Atreya Majumdar har nu designat en ännu snabbare molekylmotor. Den nya designen drivs enbart av ljus och kan ta en hel sväng i picosekunder med hjälp av en enda foton. Jansen säger, "Vi har utvecklat en ny out-of-the-box-design för en motormolekyl som är mycket snabbare." Designen publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters den 7 juni.

Den nya motormolekylkonstruktionen startade med ett projekt där Jansen ville förstå energilandskapet för upphetsade kromoforer. "Dessa kromoforer kan locka eller stöta bort varandra. Jag undrade om vi kunde använda det här för att få dem att göra något, "förklarar Jansen. Han gav projektet till Atreya Majumdar, sedan en förstaårsstudent på Top Masterprogrammet i nanovetenskap i Groningen. Majumdar simulerade interaktionen mellan två kromoforer som var anslutna för att bilda en enda molekyl.

Ljus

Majumdar, som nu är doktorand student i nanovetenskap vid Université Paris-Saclay i Frankrike, säger, "En enda foton kommer att excitera båda kromoforerna samtidigt, skapa dipoler som får dem att stöta bort varandra. "Men när de sitter ihop, ansluten med en trippelbindningsaxel, de två halvorna skjuter iväg varandra runt axeln. "Under denna rörelse, de börjar locka varandra. "Tillsammans, detta resulterar i en full rotation, genereras av ljusenergin och den elektrostatiska kommunikationen mellan de två kromoforerna.

Den ursprungliga ljusdrivna molekylmotorn utvecklades av Jansens kollega Ben Feringa, professor i organisk kemi vid University of Groningen och mottagare av 2016 års Nobelpris för kemi. Denna motor gör ett varv i fyra steg. Två steg drivs av ljus och två drivs av värme. "Värmestegen är hastighetsbegränsande, "förklarar Jansen." Molekylen måste vänta på en fluktuation i värmeenergi för att driva den till nästa steg. "

Flaskhalsar

Däremot, i den nya designen, en rotation är helt nedförsbacke från ett upphetsat tillstånd. På grund av kvantdynamikens lagar, en foton exciterar båda kromoforerna samtidigt, så det finns inga större flaskhalsar för att begränsa rotationshastigheten, vilket därför är två till tre storleksordningar större än de klassiska Feringa -motorerna.

Allt detta är fortfarande teoretiskt, baserat på beräkningar och simuleringar. "Att bygga en av dessa motorer är inte trivialt, "säger Jansen. Kromoforerna är flitigt använda men lite ömtåliga. Att skapa en trippelbindningsaxel är inte heller lätt. Jansen förväntar sig att någon kommer att försöka bygga denna organiska molekyl nu när dess egenskaper har beskrivits. Och det är inte en specifik molekyl som har dessa egenskaper, tillägger Majumdar:"Vi har skapat en allmän guide för utformningen av denna typ av molekylmotor."

Plan

Jansen säger att det finns några möjliga tillämpningar:De kan användas för att driva läkemedelsleverans eller flytta nanoskalaobjekt på en yta, eller de kan användas i andra nanotekniska applikationer. Och rotationshastigheten är långt över den för den genomsnittliga biofysiska processen, så det kan användas för att kontrollera biologiska processer. I simuleringarna, motorerna fästes på en yta men de kommer också att rotera i lösning. Jansen säger, "Det kommer att krävas mycket teknik och finjusteringar för att förverkliga dessa motorer, men vår plan kommer att leverera en helt ny typ av molekylmotor."