Ljusdrivna molekylära motorer utvecklades först för nästan 25 år sedan vid universitetet i Groningen, Nederländerna. Detta resulterade i ett delat Nobelpris i kemi för professor Ben Feringa 2016. Men att få dessa motorer att fungera på riktigt visade sig vara en utmaning. En ny artikel från Feringa-labbet, publicerad i Nature Chemistry den 26 april, beskriver en kombination av förbättringar som för verkliga tillämpningar närmare.
Första författaren Jinyu Sheng, nu postdoktor vid Institutet för vetenskap och teknologi Österrike (ISTA), anpassade en "första generationens" ljusdriven molekylär motor under sin doktorsexamen. studier i Feringalaboratoriet. Hans huvudsakliga fokus var att öka effektiviteten hos motormolekylen. "Det är väldigt snabbt, men bara 2% av fotonerna som molekylen absorberar driver den roterande rörelsen."
Denna dåliga effektivitet kan komma i vägen för verkliga applikationer. "Dessutom skulle ökad effektivitet ge oss bättre kontroll över rörelsen", tillägger Sheng. Den roterande rörelsen hos Feringas molekylära motor sker i fyra steg:två av dem är fotokemiska, medan två är temperaturdrivna. De senare är enkelriktade, men de fotokemiska stegen orsakar en isomerisering av molekylen som vanligtvis är reversibel.
Sheng bestämde sig för att förbättra andelen absorberade fotoner som driver roterande rörelse. "Det är väldigt svårt att förutse hur detta kan göras och till slut upptäckte vi av misstag en metod som fungerade." Sheng lade till en funktionell aldehydgrupp till motormolekylen, som ett första steg i ytterligare transformation.
"Men jag bestämde mig för att testa den här mellanversionens motorfunktion och fann att den var mycket effektiv på ett sätt som vi aldrig hade sett förut."
För detta samarbetade han med gruppen Molecular Photonics vid University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences. Med hjälp av avancerad laserspektroskopi och kvantkemiska beräkningar kartlades de elektroniska sönderfallsvägarna, vilket gav detaljerad inblick i hur den molekylära motorn fungerar.
Dessutom blev det klart att anpassningen verkligen gav Sheng bättre kontroll över molekylens roterande rörelse. Som tidigare nämnts roterar molekylmotorn i fyra diskreta steg. Sheng säger, "Tidigare, om vi bestrålade ett parti motorer med ljus, skulle vi få en blandning av motorer i olika skeden av rotationscykeln. Efter modifieringen var det möjligt att synkronisera alla motorer och styra dem i varje steg."
Detta öppnar upp alla möjliga möjligheter. Till exempel skulle motorerna kunna användas som ett kiralt dopmedel i flytande kristaller, där de olika positionerna skulle skapa olika reflektionsfärger. I tidningen presenterar Sheng och hans kollegor ett exempel på detta. Andra tillämpningar kan till exempel vara styrning av molekylär självmontering.
Tillsatsen av en aldehydgrupp till motormolekylen har också en annan intressant effekt:den flyttar absorptionen av ljus till en längre våglängd. Eftersom längre våglängder tränger längre in i levande vävnad eller bulkmaterial, betyder detta att motorerna skulle kunna arbeta mycket mer effektivt inom medicinska tillämpningar och materialvetenskap eftersom mer ljus kommer att nå motormolekylen, samtidigt som detta kommer att använda fotonerna mer effektivt.
"Ett antal av våra kollegor arbetar nu med oss på denna nya molekylära motor för olika applikationer", säger Sheng. Han förväntar sig fler artiklar om detta ämne inom en snar framtid. Samtidigt finns det en annan utmaning för Feringa-labbet, "Den molekylära motorn är nu mer effektiv men vi vet inte exakt varför modifieringen orsakar denna effekt. Vi arbetar för närvarande med det."
Mer information: Jinyu Sheng et al., Formylering ökar prestandan hos ljusdrivna överfulla alken-härledda roterande molekylära motorer, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01521-0
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av University of Groningen
