För att molekylära motorer ska kunna utnyttjas effektivt, de måste kunna verka unisont. Dock, Att integrera miljarder av dessa nanometerstora motorer i ett enda system och få dem att fungera unisont har visat sig vara en stor utmaning. Organiska kemister vid universitetet i Groningen har nu lyckats integrera ett flertal enkelriktade ljusdrivna roterande motorer i ett metallorganiskt ramverk (ett fast material med en 3D-burliknande struktur). Detaljer om deras upptäckt publicerades den 18 mars, i journalen Naturens nanoteknik .

Ljusdrivna roterande molekylära motorer skapades först av Ben Feringa, en organisk kemist vid universitetet i Groningen. Prof. Feringa och två andra delade 2016 års Nobelpris i kemi för denna upptäckt. Grupper av olika typer av molekylära motorer i nanoskala har fästs på ytor och införlivats i geler, flytande kristaller och muskelliknande fibrer där de kan utföra arbete i makroskala, genom samverkan. Dock, skapandet av en ordnad uppsättning av dessa motorer i ett 3-D solid state-material har, tills nu, förblev bortom vårt grepp.

Kristaller

Ett team av forskare vid universitetet i Groningen, ledd av Ben Feringa, biträdande professor Sander Wezenberg, och professor Wesley Browne, antog denna utmaning. De har nu tagit fram ett fungerande system som innehåller 3 x 10 ²⁰ (en tre följt av 20 nollor) lättdrivna enkelriktade roterande motorer per kubikcentimeter, som alla går unisont.

Forskarna inhyste motorerna i metall-organiska ramverk (MOFs), molekylära burar gjorda av metaller med sammankopplade "stag" av organiska molekyler. Beställda 3D-staplar av dessa molekylära burar bildar kristaller. När de väl hade odlat dessa kristaller, laget ersatte de vertikala pelarna med motoriska molekyler, med användning av en process känd som lösningsmedelsassisterat länkutbyte. Det var inte möjligt att sätta in motorerna i ett tidigare skede, eftersom de inte skulle ha kunnat motstå de förhållanden som behövs för att syntetisera MOF:erna.

Pelare

Molekylmotorernas statorkomponenter fungerar som pelare i burarna, medan rotorkomponenterna förblir fria inuti burarna. Burarna designades för att vara tillräckligt stora för att motorerna ska kunna köra fritt, utan hinder. Motorerna själva drevs genom att belysa kristallen med UV-ljus. Tester på dessa system visade att motorerna övervägande var orienterade i samma riktning och att deras rotationshastighet liknade de hastigheter som uppnåddes i vätskor. Teamet var nöjda, eftersom tidigare försök från andra grupper att införliva rotaxaner (en annan typ av molekylär maskin) i MOF visade att dessa motorer inte kunde köra fritt.

Således, det är nu möjligt att skapa en "motoriserad MOF, " där ett stort antal molekylära motorer packas tätt tillsammans för att skapa makroskopiska kristaller. I teorin, kristaller som denna kan användas för att kontrollera diffusionen av gaser, eller så kan de fungera som lättdrivna pumpar i mikrofluidsystem. En annan potentiell tillämpning skulle vara att mata den motoriserade MOF med material som sedan skulle reagera inne i burarna innan de pumpas ut igen.

Dock, mycket mer forskning behövs innan någon av dessa applikationer kan bli verklighet. En potentiell fråga, till exempel, är att material som passerar genom burarna kan störa driften av motorerna, vilket gör att systemet täpps igen. Ändå, det system som presenteras av prof. Feringa och hans team kommer att ge en språngbräda för ytterligare utforskningar av det kollektiva beteendet hos roterande motorer integrerade i 3-D-arrayer.