Een team van wetenschappers heeft microgolven gebruikt om de exacte structuur van een kleine moleculaire motor te ontrafelen. De nano-machine bestaat uit slechts een enkel molecuul, opgebouwd uit 27 koolstofatomen en 20 waterstofatomen (C27H20). Net als een macroscopische motor heeft hij een stator en een rotor, verbonden door een as. De analyse laat zien hoe de afzonderlijke onderdelen van de motor ten opzichte van elkaar zijn geconstrueerd en gerangschikt. Het team onder leiding van DESY Leading Scientist Melanie Schnell rapporteert de resultaten in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

De kunstmatige moleculaire motor is gesynthetiseerd door het team van de Nederlandse Nobelprijswinnaar Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen, co-auteur van het artikel. Feringa ontving in 2016 samen met Jean-Pierre Sauvage van de Universiteit van Straatsburg en Sir Fraser Stoddart van de Northwestern University in de VS de Nobelprijs voor Scheikunde voor het ontwerp en de synthese van moleculaire machines.

"De functionele prestaties van dergelijke nanomachines komen duidelijk naar voren uit hun unieke structurele eigenschappen, ", schrijven de auteurs in hun studie. "Om moleculaire machines beter te begrijpen en te optimaliseren, is het belangrijk om hun gedetailleerde structuur te kennen en hoe deze structuur verandert tijdens belangrijke mechanische stappen, bij voorkeur onder omstandigheden waarin het systeem niet wordt verstoord door invloeden van buitenaf."

De hier onderzochte rotatiemotor is veelbelovend voor heel wat toepassingen, zoals eerste auteur Sérgio Domingos van DESY en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) uitlegt:"Chemici zijn allemaal in de ban van dit molecuul en proberen het te verbinden met een reeks andere moleculen." Wanneer geactiveerd door licht, de nano-machine werkt door opeenvolgende fotochemische en thermische stappen, een halve slag voltooien. Een tweede trigger dwingt de motor vervolgens om een ​​volledige draai te maken, terugkeren naar zijn uitgangspositie.

"Een dergelijke activering door licht is ideaal omdat het een niet-invasieve en zeer gelokaliseerde manier biedt om de motor op afstand te activeren, " zegt Domingos. "Het kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, als een efficiënte motorische functie die kan worden geïntegreerd met een medicijn, controle te krijgen over zijn werking en deze vrij te geven op een precies gerichte plek in het lichaam:de door licht geactiveerde medicijnen van de toekomst. Maar ook toepassingen als door licht geactiveerde katalyse en transmissie van beweging op moleculair niveau naar de macroscopische wereld komen voor de geest. Voor dergelijke toepassingen is het belangrijk om de exacte structuur van het motormolecuul te begrijpen en hoe het in detail werkt."

De atomaire samenstelling van het motormolecuul was al eerder onderzocht met röntgenstralen. Voor de röntgenanalyse moesten de moleculen eerst tot kristallen worden gekweekt. De kristallen buigen de röntgenstralen vervolgens op een karakteristieke manier af, en uit het resulterende diffractiepatroon kan de rangschikking van atomen worden berekend. "In tegenstelling tot, we hebben vrij zwevend onderzocht, geïsoleerde moleculen in een gas, " legt Schnell uit, die werkt bij het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), een samenwerking tussen DESY, de Universiteit van Hamburg en de Max Planck Society. "Op deze manier kunnen we het molecuul zien zoals het is, vrij van externe invloeden zoals oplosmiddelen of bindingen."

Om hun structuur te bepalen, de vrij zwevende moleculen moesten worden blootgesteld aan een resonant microgolfveld. "We gebruikten een elektromagnetisch veld om de moleculen allemaal op een coherente manier in dezelfde richting te oriënteren en registreerden vervolgens hun ontspanning wanneer het veld werd uitgeschakeld, " legt Schnell uit, die ook een onderzoeksgroep leidt bij MPSD en hoogleraar fysische chemie is aan de Universiteit van Kiel. "Dit onthult de zogenaamde rotatieconstanten van het molecuul, die ons op hun beurt nauwkeurige informatie geven over de structurele opstelling."

Deze analyse van deze zogenaamde microgolfspectroscopie is niet eenvoudig. In het geval van het motormolecuul, de wetenschappers moesten meer dan 200 lijnen van het spectrum matchen en hun aantallen vergelijken met simulaties van kwantumchemische berekeningen. "Wat betreft het aantal atomen, de moleculaire motor is momenteel het grootste molecuul waarvan de structuur is opgelost met microgolfspectroscopie, ", legt Schnell uit.

Om de moleculen in de microgolfkamer te laten drijven, ze moesten worden verwarmd tot 180 graden Celsius voordat ze snel werden afgekoeld tot min 271 graden. "Door verwarming vielen sommige motoren uit elkaar, breken bij de as, " meldt Domingos. "Op deze manier konden we de rotor en de stator onafhankelijk van elkaar zien, bevestiging van hun structuren. Dit geeft ons ook een hint over het mechanisme waarmee het uit elkaar valt."

De uiteindelijke analyse geeft enkele kleine afwijkingen aan van de structuur bepaald met röntgenstralen, waar de moleculen in een kristal met elkaar in wisselwerking staan. "Dit toont aan dat de structuur van de motor onmiskenbaar wordt beïnvloed door zijn omgeving, " zegt Domingos. Nog belangrijker, the microwave technique opens the possibility to study the dynamics of the motor molecule. "Now that we can see the molecule like it really is, we want to catch it in action, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.