Ljusstyrda molekylära motorer kan användas för att skapa funktionella material för att ge autonom rörelse, eller i system som kan svara på kommando. För biologiska tillämpningar, detta kräver att motorerna drivs av lågenergi, lågintensivt ljus som penetrerar vävnad. Kemister vid universitetet i Groningen designade en roterande motor som effektivt drivs av nära-infrarött ljus, genom att lägga till en antenn till motormolekylen. Designen och funktionaliteten presenterades i tidskriften Vetenskapens framsteg den 28 oktober.

Ben Feringa, Professor i organisk kemi vid universitetet i Groningen, presenterade designen och konstruktionen av den första lättdrivna enkelriktade roterande molekylära motorn 1999. 2016, han var en av tre vinnare av Nobelpriset i kemi, för design och tillverkning av molekylära maskiner. Hans molekylära motorer har utvecklats sedan, men en stor begränsning för applikationer har varit att de drivs av ultraviolett ljus. I många applikationer, UV-ljus kan vara skadligt för omgivande material. Försök att använda mindre energirika nära-infraröda fotoner för att driva dessa motorer har hittills misslyckats.

Energi

Anpassning av motormolekylen för att direkt acceptera två lågenergifotoner istället för en högenergirik har inte varit framgångsrik. Det är därför som forskare vid Feringalaboratoriet nu försökte ett annat tillvägagångssätt. Genom en kovalent bindning, motormolekylen var kopplad till en antenn som kan absorbera två nära-infraröda fotoner. Den resulterande exciteringen av antennen förs sedan vidare till den motoriska delen av molekylen.

Mycket av detta arbete utfördes av Lukas Pfeifer, en postdoktor vid Feringalaboratoriet, som nu arbetar på schweiziska École Polytechnique Fédérale i Lausanne. "För att systemet ska fungera, energinivåerna för antennen och motorn måste justeras noggrant, " förklarar han. Det innebar att man designade en version av molekylmotorn som kräver den exakta mängden energi som antennen ger för rörelse. "Och den behövde också en länk som gör att antennen kan fästas utan att störa motorns rotation."

Enkel

"Detta är en direkt överföring av det upphetsade tillståndet, mycket likt sättet som två strängar på en gitarr kommer att resonera när en av dem slås på, " förklarar Maxim Pshenichnikov, Professor i ultrasnabb spektroskopi vid universitetet i Groningen och en av författarna till Vetenskapens framsteg papper. Idén verkar enkel nog. "Om du vet hur det fungerar, det blir riktigt enkelt, " säger Pshenichnikov. "Men den kemiska designen var verkligen inte trivial."

Ett komplext händelseförlopp som sätter motorn i rörelse äger rum över ett mycket brett tidsintervall, från pikosekunder (10 ^-12 s) till minuter. De olika tidsregimerna studerades av Pfeifer med hjälp av NMR och av Nong Hoang, en Ph.D. student i Pshenichnikovs forskargrupp, med hjälp av ultrasnabb spektroskopi. Först, antennen fångar två nära-infraröda fotoner. Detta följs av energiöverföringen som initierar motorrörelse. Lyckligtvis, designen fungerade mycket effektivt.

Dröm

"Efter många år av design av molekylära motorer, att kunna övervinna behovet av UV-ljus med hög energi för att driva dessa molekylära rotationsmotorer är som en dröm som går i uppfyllelse, " säger Ben Feringa. "Jag känner att våra resultat representerar en viktig milstolpe i designen av artificiella molekylära motorer och erbjuder många möjligheter för framtida tillämpningar, allt från responsiva material till biomolekylära system."

Nästa steg är att förenkla strukturen av motor-antennkomplexet. Det skulle möjliggöra införandet av ytterligare funktioner. En möjlig tillämpning av den nya motormolekylen är att fungera som en trigger för att frigöra innehållet i en vesikel i ett biologiskt system. Pshenichnikov:"Jag är verkligen nyfiken på att se hur nästa generation av detta system kommer att utvecklas."

Enkel vetenskapssammanfattning

1999, Ben Feringa, professor i organisk kemi vid universitetet i Groningen, skapade den första ljusdrivna molekylära motorn. Dessa små motorer kan användas i alla typer av nanoteknologiska tillämpningar, till exempel vid leverans av läkemedel. Dock, de drivs av ultraviolett ljus, vilket kan vara skadligt. Forskare har letat efter sätt att använda nära-infrarött ljus istället, men alla försök hittills har misslyckats. Forskare från universitetet i Groningen designade nu en antenn som absorberar energi från nära-infrarött ljus. Denna antenn var fäst vid motormolekylen, där den överför energin direkt till axeln som driver motorrörelsen. Resultatet är en motormolekyl som drivs av nära-infrarött ljus, vilket för medicinska tillämpningar ett steg närmare.