Met behulp van ultrasnelle spectroscopie en kwantummechanische berekeningen, Onderzoekers van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München hebben de volledige rotatiecyclus van de door licht aangedreven, chemische motormolecuul hemithioindigo.

Chemicus Dr. Henry Dube, hoofd van een Emmy Noether Junior Research Group, heeft een moleculaire machine ontwikkeld op basis van het molecuul hemithioindigo (HTI). Het vertoont unidirectionele rotatiebeweging rond een specifieke chemische binding bij blootstelling aan licht. In samenwerking met Prof. Eberhard Riedle van BioMolekulare Optik en natuurkundige Regina de Vivie-Riedle, hij heeft nu de dynamiek van het hele rotatiemechanisme opgelost. De bevindingen verschijnen in de Tijdschrift van de American Chemical Society (JACS) .

Hemithioindigo bevat een centrale koolstof-koolstof dubbele binding (C=C). Dit type binding kan een omkeerbare, lichtafhankelijke structurele verandering bekend als foto-isomerisatie, die normaal gesproken niet richtinggevend is. In eerder werk, Dube had aangetoond dat HTI als basis kan dienen voor een moleculaire motor waarvan de beweging nauwkeurig kan worden gecontroleerd. In de op HTI gebaseerde moleculaire motor, een opeenvolging van foto-isomerisatie en thermische helix-inversiestappen zorgt ervoor dat de centrale dubbele binding unidirectioneel roteert met een snelheid tot 1 kHz bij kamertemperatuur. Terwijl de meeste andere chemische motoren hoogenergetisch ultraviolet licht nodig hebben om ze aan te drijven, de HTI-motor kan met zichtbaar licht worden aangedreven. Deze functie breidt het toepassingsgebied uit en vergroot het potentieel voor gebruik in biologische en medische contexten.

Het team heeft nu de dynamiek van unidirectionele rotatie in de HTI-motor gekarakteriseerd met behulp van een verscheidenheid aan ultrasnelle spectroscopische technieken om de tussenliggende toestanden in de rotatiecyclus te onderscheiden. Door deze resultaten te vergelijken met gedetailleerde kwantummechanische berekeningen van de mogelijke reactiepaden, ze waren in staat om een ​​nauwkeurig kwantitatief model te construeren van de werking van deze nanomachine. De resultaten laten zien dat de rotatie zelfs bij kamertemperatuur in één richting blijft, en onthullen hoe de rotatiesnelheid het meest effectief kan worden opgewaardeerd. De volledige rotatiecyclus lost op in vier conformationele en energietoestanden, en de kansen en snelheden van de overgangen daartussen werden voor het eerst bepaald. De relevante tijdschalen voor deze overgangen variëren van picoseconden (10-12 s) tot milliseconden (10-3 s). Alle relevante stappen werden met succes spectroscopisch gevolgd onder dezelfde omstandigheden, dat wil zeggen over een bereik van negen ordes van grootte.

"Onze uitgebreide analyse levert een ongekend functioneel inzicht op in de werking van dergelijke moleculaire motoren. We hebben nu een compleet beeld van de rotatiebeweging van dit molecuul, die we kunnen benutten om nieuwe benaderingen van motorontwerp te ontwikkelen die beter gebruik maken van lichtenergie en dus efficiënter zijn, " zegt Dubbe.