Door licht aangedreven moleculaire motoren bestaan ​​al meer dan 20 jaar. Deze motoren hebben doorgaans microseconden tot nanoseconden nodig voor één omwenteling. Thomas Janssen, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen, en masterstudent Atreya Majumdar hebben nu een nog snellere moleculaire motor ontworpen. Het nieuwe ontwerp wordt alleen aangedreven door licht en kan in picoseconden een volledige draai maken met behulp van de kracht van een enkel foton. Jansen zegt, "We hebben een nieuw out-of-the-box ontwerp ontwikkeld voor een motormolecuul dat veel sneller is." Het ontwerp is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters op 7 juni.

Het nieuwe motormolecuulontwerp begon met een project waarin Jansen het energielandschap van aangeslagen chromoforen wilde begrijpen. "Deze chromoforen kunnen elkaar aantrekken of afstoten. Ik vroeg me af of we dit zouden kunnen gebruiken om ze iets te laten doen, " legt Jansen uit. Hij gaf het project aan Atreya Majumdar, daarna een eerstejaarsstudent in de Topmaster Nanoscience in Groningen. Majumdar simuleerde de interactie tussen twee chromoforen die verbonden waren om een ​​enkel molecuul te vormen.

Licht

Majumdar, wie is nu een Ph.D. student nanowetenschappen aan de Université Paris-Saclay in Frankrijk, zegt, "Een enkel foton zal beide chromoforen tegelijkertijd prikkelen, dipolen creëren waardoor ze elkaar afstoten." Maar omdat ze aan elkaar vastzitten, verbonden door een drievoudige bindingsas, de twee helften duwen elkaar om de as weg. "Tijdens deze beweging ze beginnen elkaar aan te trekken." Samen, dit resulteert in een volledige rotatie, gegenereerd door de lichtenergie en de elektrostatische communicatie tussen de twee chromoforen.

De originele door licht aangedreven moleculaire motor is ontwikkeld door Jansens collega Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen en winnaar van de Nobelprijs voor de Scheikunde 2016. Deze motor maakt één omwenteling in vier stappen. Twee treden worden aangedreven door licht en twee worden aangedreven door warmte. "De warmtestappen zijn snelheidsbeperkend, " legt Jansen uit. "Het molecuul moet wachten op een fluctuatie in warmte-energie om het naar de volgende stap te brengen."

Knelpunten

Daarentegen, in het nieuwe ontwerp, een rotatie is volledig bergafwaarts vanuit een aangeslagen toestand. Door de wetten van de kwantumdynamica, één foton prikkelt beide chromoforen tegelijk, er zijn dus geen grote knelpunten om de rotatiesnelheid te beperken, die dus twee tot drie ordes van grootte groter is dan die van de klassieke Feringa-motoren.

Dit alles is nog theoretisch, op basis van berekeningen en simulaties. "Het bouwen van een van deze motoren is niet triviaal, ", zegt Jansen. De chromoforen worden veel gebruikt, maar zijn enigszins kwetsbaar. Het creëren van een drievoudige bindingsas is ook niet eenvoudig. Jansen verwacht dat iemand zal proberen dit organische molecuul te bouwen nu de eigenschappen ervan zijn beschreven. En het is niet één specifiek molecuul dat heeft deze eigenschappen, voegt Majumdar toe:"We hebben een algemene gids gemaakt voor het ontwerp van dit type moleculaire motor."

blauwdruk

Jansen zegt dat er een paar mogelijke toepassingen zijn:ze kunnen worden gebruikt om medicijnen te leveren of om objecten op nanoschaal op een oppervlak te verplaatsen, of ze kunnen worden gebruikt in andere nanotech-toepassingen. En de rotatiesnelheid ligt ruim boven die van het gemiddelde biofysische proces, dus het kan worden gebruikt om biologische processen te beheersen. In de simulaties de motoren waren aan een oppervlak bevestigd, maar ze zullen ook in oplossing draaien. Jansen zegt, "Het zal veel engineering en aanpassingen vergen om deze motoren te realiseren, maar onze blauwdruk zal een gloednieuw type moleculaire motor opleveren."