Door licht aangedreven moleculaire motoren werden bijna 25 jaar geleden voor het eerst ontwikkeld aan de Universiteit van Groningen, Nederland. Dit resulteerde in 2016 in een gedeelde Nobelprijs voor de Scheikunde voor professor Ben Feringa. Het bleek echter een uitdaging om deze motoren echt werk te laten doen. Een nieuw artikel van het Feringa-lab, gepubliceerd in Nature Chemistry op 26 april beschrijft een combinatie van verbeteringen die toepassingen uit de praktijk dichterbij brengt.

Eerste auteur Jinyu Sheng, nu postdoctoraal onderzoeker aan het Institute of Science and Technology Austria (ISTA), paste tijdens zijn Ph.D. een door licht aangedreven moleculaire motor van de eerste generatie aan. onderzoek in het Feringa laboratorium. Zijn belangrijkste focus was het verhogen van de efficiëntie van het motormolecuul. "Het is heel snel, maar slechts 2% van de fotonen die het molecuul absorbeert, drijven de roterende beweging aan."

Deze slechte efficiëntie kan real-life toepassingen in de weg staan. "Bovendien zou een grotere efficiëntie ons een betere controle over de beweging geven", voegt Sheng toe. De roterende beweging van Feringa's moleculaire motor vindt plaats in vier stappen:twee daarvan zijn fotochemisch, terwijl twee temperatuurgestuurd zijn. Deze laatste zijn unidirectioneel, maar de fotochemische stappen veroorzaken een isomerisatie van het molecuul die meestal omkeerbaar is.

Sheng wilde het percentage geabsorbeerde fotonen die de roterende beweging aandrijven, verbeteren. "Het is heel moeilijk om te voorspellen hoe dit kan worden gedaan en uiteindelijk hebben we per ongeluk een methode ontdekt die werkte." Sheng voegde een functionele aldehydegroep toe aan het motormolecuul, als eerste stap in verdere transformatie.

"Ik besloot echter de motorische werking van deze tussenversie te testen en ontdekte dat deze zeer efficiënt was op een manier die we nog nooit eerder hadden gezien."

Hiervoor werkte hij samen met de groep Moleculaire Fotonica van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen van de Universiteit van Amsterdam. Met behulp van geavanceerde laserspectroscopie en kwantumchemische berekeningen werden de elektronische vervalroutes in kaart gebracht, waardoor gedetailleerd inzicht werd verkregen in de werking van de moleculaire motor.

Bovendien werd duidelijk dat de aanpassing Sheng inderdaad een betere controle gaf over de roterende beweging van het molecuul. Zoals eerder vermeld draait de moleculaire motor in vier afzonderlijke stappen. Sheng zegt:"Als we voorheen een reeks motoren met licht bestraalden, kregen we een mix van motoren in verschillende stadia van de rotatiecyclus. Na de aanpassing was het mogelijk om alle motoren te synchroniseren en ze in elke fase te besturen."

Dit opent allerlei mogelijkheden. De motoren zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als chiraal doteermiddel in vloeibare kristallen, waarbij de verschillende posities verschillende reflectiekleuren zouden creëren. In de paper presenteren Sheng en zijn collega's hiervan een voorbeeld. Andere toepassingen zouden bijvoorbeeld de controle van moleculaire zelfassemblage kunnen zijn.

De toevoeging van een aldehydegroep aan het motormolecuul heeft nog een ander interessant effect:het verschuift de absorptie van licht naar een langere golflengte. Omdat langere golflengten verder doordringen in levend weefsel of bulkmateriaal, betekent dit dat de motoren veel efficiënter zouden kunnen werken in medische toepassingen en materiaalkunde, omdat er meer licht het motormolecuul zal bereiken, terwijl hierdoor ook de fotonen efficiënter zullen worden gebruikt.

"Een aantal van onze collega's werken nu met ons samen aan deze nieuwe moleculaire motor voor verschillende toepassingen", zegt Sheng. Hij verwacht dat er in de nabije toekomst meer artikelen over dit onderwerp zullen verschijnen. Ondertussen is er nog een uitdaging voor het Feringa-lab:"De moleculaire motor is nu efficiënter, maar we weten niet precies waarom de modificatie dit effect veroorzaakt. We werken er momenteel aan."

Meer informatie: Jinyu Sheng et al., Formylatie verbetert de prestaties van door licht aangedreven, overvolle, van alkeen afgeleide roterende moleculaire motoren, Natuurchemie (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01521-0

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Rijksuniversiteit Groningen