Tyska forskare har utvecklat en ny klass av molekylära motorer som roterar enkelriktat med hastigheter på upp till 1 kHz när de utsätts för solljus vid rumstemperatur. Denna unika kombination av funktioner öppnar för nya tillämpningar inom nanoteknik.

Molekylära motorer är syntetiska kemiska föreningar som kan omvandla externt tillförd energi till mekanisk rörelse. Sådana molekyler, som är speciellt utformade för att utföra riktningsrörelser som svar på en specifik stimulans, är en väsentlig förutsättning för konstruktion av användbara nanomaskiner. Bland de mest lovande typerna av molekylära "motorblock" finns ämnen vars tredimensionella konformation kan förändras genom exponering för ljus. "Dock, alla ljusaktiverade molekylära motorer som hittills beskrivits använder UV-ljus som en kraftkälla. Men detta begränsar kraftigt deras potentiella användningsområde, eftersom dess högenergifotoner kan ha skadliga effekter på nanomaskineriet som helhet, " förklarar Dr Henry Dube, som är på LMU:s Avgång Naturkommunikation kemi. Dube och hans kollegor har nu hittat en väg runt detta hinder:De har utvecklat en ny klass av molekylära rotorer som kan drivas av synligt ljus - som är mindre energisk än UV-strålning och därför mindre sannolikt att äventyra driften av mer komplexa system. Forskarna beskriver föreningen och dess egenskaper i en artikel publicerad i Naturkommunikation .

Grunden för den nyutvecklade molekylära motorn är molekylen hemithioindigo. Hemithioindigo är en fotoväxel, som är gjord av två organiska molekyler, som är förbundna med en koldubbelbindning. Exponering för ljus förändrar strukturen hos hemithioindigo, vilket får den att rotera runt den centrala dubbelbindningen. I motsats till de ljusaktiverade motorerna som tidigare beskrivits, rotation av den hemithioindigo-baserade motorn kräver det mindre energiska synliga ljuset - och det roterar extremt snabbt:Forskarna visade att molekylen roterar - enkelriktat - cirka 1000 gånger per sekund vid rumstemperatur. "Vi själva blev förvånade över att motorn fungerar så bra, för det är känt att många molekylära motorer inte roterar stadigt i en riktning, men också kretsa i motsatt mening till viss del, " säger Dube. "Med tanke på komplexiteten som är involverad i designen av sådana motormolekyler, det är verkligen häpnadsväckande att vi fick fullständig kontroll över rotationsriktningen vid första försöket."

Att den nya substansen kan drivas av synligt ljus gör också att den är mycket mer mångsidig än tidigare beskrivna ljusdrivna molekylmotorer. "Men vi har en lång väg kvar att gå innan molekylära motorer kan integreras i mer komplexa nanomaskiner för att utföra funktioner som är mer komplicerade än den riktade rotationsrörelse vi nu har visat, " Dube påpekar. "Det långsiktiga målet inom detta område är miniatyrisering av arbetsmaskiner ner till storleksintervallet för organiska molekyler. Sådana nanomaskiner skulle ge oöverträffad precision vid bearbetning eller målinriktad modifiering av materia i molekylär skala, öppnar helt nya möjligheter inom många forskningsområden, " han lägger till.