Vid första anblicken ser Rabih O. Al-Kaysis molekylära motorer ut som de mikroskopiska maskar du skulle se i en droppe dammvatten. Men dessa slingrande band är inte levande; de är enheter gjorda av kristalliserade molekyler som utför koordinerade rörelser när de utsätts för ljus. Med fortsatt utveckling, säger Al-Kaysi och kollegor, skulle deras små maskiner kunna användas av läkare som robotar för läkemedelsleverans eller konstrueras i arrayer som styr vattenflödet runt ubåtar.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte.
Teamet byggde sin första molekylära kristallmotor 2021 med molekyler som möjliggjorde fotoisomerisering – enkelt uttryckt, de enskilda molekylerna i motorn vågar en av sina kemiska grupper fram och tillbaka när de exponeras för ljus, och deras kollektiva rörelse resulterar i synliga rörelser av motorn sig själv.
"Vår första motor var en mikrotråd som böjde sig och fladdrade när jag exponerade den för en kombination av UV och synligt ljus", säger Al-Kaysi. "Det såg ut som en banddansare. Det såg levande ut."
Molekylerna i lagets första motor behövde flera våglängder av ljus (UV och synligt) för att driva fotoisomerisering. Men Al-Kaysi och kollegan Christopher Bardeen ville skapa molekylära kristallmotorer som bara behövde en enda våglängd av ljus för att fungera. Så de syntetiserade ett bibliotek av ljusabsorberande antracenmolekyler som kan röra sig oavbrutet fram och tillbaka – dvs. kontinuerlig fotoisomerisering – med en enda ljuskälla.
Forskarna håller på att karakterisera de antracenbaserade molekylerna och använda dem som byggstenar för att skapa fler molekylära kristallmotorer. Deras ljusaktiverade menageri inkluderar nu långa ormliknande rep och en mycket hårig spindel som kan böja sig, hoppa, vrida sig och dansa.
Al-Kaysi, en organisk kemist vid King Saud bin Abdulaziz University for Health Sciences och King Abdullah International Medical Research Center, har arbetat med Bardeen, professor i kemi vid University of California, Riverside, i mer än två decennier på fotomekaniska kristaller.
Dessa "smarta" kristaller omvandlar energi som de absorberar från ljus till mekaniskt arbete och karakteriseras vanligtvis som termiskt reversibla eller fotokemiskt reversibla. Med andra ord vänds kristallernas initiala rörelse som svar på ljusstimulans med en andra stimulans av värme respektive ljus. En tredje delmängd av dessa smarta kristaller får dock mer uppmärksamhet från kemister som Al-Kaysi och Bardeen på grund av deras förmåga att upprätthålla kontinuerliga, oscillerande rörelser när de utsätts för en enda ljuskälla.
De fotoreaktiva molekylerna i Al-Kaysis bibliotek är utgångspunkten för att göra molekylära kristallmotorer. Var och en av molekylerna innehåller tre segment:ett antracensegment, en koldubbelbindning och en anpassningsbar "huvudgrupp" på andra sidan av kolbindningen. Antracenet absorberar ljus och överför energin till kolets dubbelbindning, som fungerar som molekylens axel. Sedan bestämmer huvudgruppen molekylens kristallpackningsstruktur, form och beteende.
När antracenmolekylerna har syntetiserats injiceras de i en tvållösning där de packas ihop i en process som kallas kristallteknik. Dessa kristalliserade klumpar används som "frön" och placeras i en annan tvållösning med fler av antracenmolekylerna där de själva sätts ihop till större former - vanligtvis stavar och trådar.
Vissa av dessa strukturer självmonterar till ännu mer komplexa former som är synliga med blotta ögat. Även om motorns självmontering mestadels är slumpmässig, letar forskarna efter sätt att styra den genom att variera vätskans temperatur och tvålighet och genom att röra om vätskan i olika hastigheter.
När de är upplysta i sin tvållösning visar motorerna intrikata och kontinuerliga 3D-rörelser. Forskarna kan justera en motors rörelse genom att justera ljusintensitet och våglängd. På molekylär nivå drivs rörelsen av fotoisomerisering runt kolets dubbelbindning, vet forskarna. Men de undersöker fortfarande hur molekylerna koordinerar detta beteende över hela den molekylära kristallmotorn.
I demonstrationer fann forskarna att motorerna är anmärkningsvärt hållbara och visar inga tecken på trötthet efter timmars ljusexponering. Och eftersom de är kristallbaserade har de en medfödd motståndskraft mot korrosion och elektromagnetiska störningar och erbjuder ett "exceptionellt" vikt-till-effektförhållande. Enligt forskarna gör dessa egenskaper de molekylära kristallmotorerna särskilt lämpliga för biomedicinska applikationer, mikromaskiner och mikrosatelliter.
Al-Kaysi och Bardeen säger att med hjälp av en "ingenjörs beröring" har deras grundläggande vetenskapliga upptäckter potential att lösa verkliga problem, som ljusaktiverade molekylära maskiner för läkemedelsleverans och arrayer som riktar vattenflödet runt en fartygets skrov.
Tillhandahålls av American Chemical Society
