De visie op de toekomst van miniaturisatie heeft geleid tot een reeks synthetische moleculaire motoren die worden aangedreven door een reeks energiebronnen en verschillende bewegingen kunnen uitvoeren. Een onderzoeksgroep aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) is er nu in geslaagd een katalysereactie te regelen met behulp van een lichtgestuurde motor. Dit brengt ons een stap dichter bij het realiseren van de visie van een nanofabriek waarin combinaties van verschillende machines samenwerken, zoals het geval is in biologische cellen. De resultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Wetten van de mechanica kunnen niet altijd worden toegepast

Per definitie een motor zet energie om in een specifiek type kinetische energie. Op moleculair niveau, bijvoorbeeld, het eiwit myosine kan spiersamentrekkingen produceren met behulp van chemische energie. Dergelijke nanomachines kunnen nu synthetisch worden geproduceerd. Echter, de gebruikte moleculen zijn veel kleiner dan eiwitten en beduidend minder complex.

"De wetten van de mechanische fysica kunnen niet zomaar op moleculair niveau worden toegepast, " zegt Prof. Dr. Henry Dube, Leerstoel Organische Chemie I bij FAU. Luiheid, bijvoorbeeld, bestaat niet op dit niveau, hij legt uit. Getriggerd door Brownse beweging, deeltjes zijn constant in beweging. "Het activeren van een draaiende motor is niet genoeg, je moet een soort ratelmechanisme inbouwen dat voorkomt dat het naar achteren draait, " hij legt uit.

In 2015 tijdens de LMU in München, Prof. Dube en zijn team ontwikkelden een bijzonder snelle moleculaire motor aangedreven door zichtbaar licht. in 2018, zij ontwikkelden de eerste moleculaire motor die uitsluitend door licht wordt aangedreven en onafhankelijk van de omgevingstemperatuur functioneert. Een jaar later, ze ontwikkelden een variant die niet alleen in staat is om te draaien, maar ook om een ​​achtvormige beweging uit te voeren. Alle motoren zijn gebaseerd op het hemithioindigo-molecuul, een asymmetrische variant van de natuurlijk voorkomende kleurstof indigo waarbij een zwavelatoom de plaats inneemt van het stikstofatoom. Een deel van het molecuul roteert in verschillende stappen in de tegenovergestelde richting van het andere deel van het molecuul. De energiegestuurde stappen worden geactiveerd door zichtbaar licht en wijzigen de moleculen zodat omgekeerde reacties worden geblokkeerd.

Standaard katalysatoren in gebruik

Na zijn komst naar FAU, Henry Dube gebruikte de in 2015 ontwikkelde roterende motor om voor het eerst een apart chemisch proces aan te sturen. Het beweegt in vier stappen rond de dubbele koolstofbinding van de hemithioindigo. Twee van de vier stappen die door een fotoreactie worden geactiveerd, kunnen worden gebruikt om een ​​katalysereactie te regelen. "Groen licht genereert een moleculaire structuur die een katalysator bindt aan de hemithioindigo en blauw licht laat de katalysator vrij, ’ legt de drogist uit.

Er wordt een standaardkatalysator gebruikt die geen metaalatomen bevat. Met behulp van elektrostatische krachten, de katalysator koppelt via een waterstofbrug aan een zuurstofatoom in het 'motormolecuul'. in principe. "Het grote voordeel van hemithioindigo is dat de aangeboren structuur een bindingsmechanisme heeft voor katalysatoren, " legt prof. Dube uit. Het zou anders moeten worden toegevoegd met behulp van chemische synthese.

De rotatie van de hemithioindigo-motor wordt gecontroleerd door zichtbaar licht. Tegelijkertijd, het systeem maakt de gerichte afgifte en binding van een katalysator mogelijk die gewenste chemische reacties versnelt of vertraagt. "Dit project is een belangrijke stap in de richting van het eenvoudig en op verschillende manieren integreren van moleculaire motoren in chemische processen, " zegt prof. Dube. "Hierdoor kunnen we in de toekomst complexe medicatie met een hoge mate van precisie synthetiseren met behulp van moleculaire machines zoals een productielijn."