Moleculaire motoren, die unidirectioneel roteren als reactie op een externe energietoevoer, vormen een belangrijke klasse van componenten voor toekomstige toepassingen op het gebied van nanotechnologie. Moleculen waarvan de structuur en ruimtelijke conformatie door licht kunnen worden veranderd, zijn bijzonder veelbelovende kandidaten voor deze taak. Echter, alle door licht aangedreven moleculaire motoren die tot nu toe zijn beschreven, zijn afhankelijk van reacties die de invoer van warmte vereisen en zijn daarom afhankelijk van een bepaalde minimale omgevingstemperatuur. LMU-chemicus Henry Dube heeft in dit opzicht nu een beslissende doorbraak bereikt. Samen met zijn leerling Aaron Gerwien, hij heeft de eerste moleculaire motor ontwikkeld die draait bij blootstelling aan alleen licht, ongeacht de temperatuur. Niet alleen is zijn werking niet afhankelijk van een specifieke minimumtemperatuur, hij draait zelfs sneller bij lagere temperaturen. Dit unieke kenmerk van het nieuwe molecuul zou het scala aan toepassingen dat beschikbaar is voor toekomstige nanomachines aanzienlijk kunnen uitbreiden. De LMU-onderzoekers hebben zojuist hun bevindingen gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De essentiële eigenschap die een synthetische chemische stof in een moleculaire roterende motor verandert, is dat een externe energiebron ervoor kan zorgen dat een onderdeel van het molecuul in één richting draait. Elke 360° rotatie vindt plaats in discrete stappen, zoals het tikken van een wijzer. Het lastige is om ervoor te zorgen dat elke stap vooruit niet achteruit gaat. Alle tot nu toe beschreven moleculaire motoren hebben een zogenaamd ratelmechanisme gebruikt om dergelijke omkeringen te voorkomen. Het idee is dat na elke voorwaartse stap een ratelende stap de configuratie van het molecuul zodanig verandert dat de omgekeerde reactie sterisch wordt geremd. De conformationele veranderingen die nodig zijn om dit te bereiken, worden normaal gesproken veroorzaakt door warmte. Als resultaat, de rotatiesnelheid is afhankelijk van de omgevingstemperatuur, en onder een bepaalde minimumtemperatuur stopt de beweging.

Net als eerdere motorsystemen ontwikkeld door Dube en zijn collega's, de nieuwe motor is gebaseerd op een organische stof genaamd hemithioindigo. Dit molecuul bestaat uit twee verschillende koolstofskeletten, die zijn verbonden door een mobiele dubbele binding. "We zijn erin geslaagd het molecuul zo te modificeren dat een volledige rotatie van een van de structurele modules ten opzichte van de andere slechts drie reactiestappen vereist, ", zegt Dube. Elke rotatiestap wordt geactiveerd door zichtbaar licht en er is geen tussenliggende, thermisch aangedreven ratelstappen. Inderdaad, alle drie de stappen die betrokken zijn bij de volledige rotatie worden bevorderd door een verlaging van de temperatuur, zodat de rotatiesnelheid van de nieuwe moleculen juist toeneemt bij lagere temperaturen. "Elke rotatiestap bestaat uit drie verschillende fotoreacties, twee waarvan we dit jaar voor het eerst experimenteel hebben gedemonstreerd, " legt Dube uit. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het nieuwe aandrijfmechanisme en het unieke gedrag van hun motor het in de niet al te verre toekomst mogelijk zullen maken voor onderzoekers om moleculaire machines te synthetiseren die, dankzij hun relatieve ongevoeligheid voor de precieze omgevingstemperatuur, maakt unieke toepassingen mogelijk die met tot nu toe bekende motoren niet mogelijk waren.