Wetenschap
Moleculaire kristalmotoren bewegen als microben wanneer ze worden blootgesteld aan licht
Op het eerste gezicht lijken de moleculaire motoren van Rabih O. Al-Kaysi op de microscopisch kleine wormen die je in een druppel vijverwater ziet. Maar deze kronkelende linten leven niet; het zijn apparaten gemaakt van gekristalliseerde moleculen die gecoördineerde bewegingen uitvoeren bij blootstelling aan licht. Met voortdurende ontwikkeling, zeggen Al-Kaysi en collega's, zouden hun kleine machines door artsen kunnen worden gebruikt als robots voor het afleveren van medicijnen of kunnen worden gebouwd in arrays die de waterstroom rond onderzeeërs sturen.
De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de voorjaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).
Het team bouwde hun eerste moleculaire kristalmotor in 2021 met moleculen die foto-isomerisatie mogelijk maakten. Simpel gezegd:de individuele moleculen in de motor zwaaien een van hun chemische groepen heen en weer wanneer ze worden blootgesteld aan licht, en hun collectieve beweging resulteert in zichtbare beweging van de motor. zelf.
"Onze eerste motor was een microdraad die kromp en fladderde als ik hem blootstelde aan een combinatie van UV en zichtbaar licht", zegt Al-Kaysi. "Het leek op een lintdanser. Het zag er levend uit."
De moleculen in de eerste motor van het team hadden verschillende golflengten van licht (UV en zichtbaar) nodig om foto-isomerisatie aan te sturen. Al-Kaysi en collega Christopher Bardeen wilden echter moleculaire kristalmotoren maken die slechts één golflengte licht nodig hadden om te kunnen werken. Daarom synthetiseerden ze een bibliotheek van lichtabsorberende antraceenmoleculen die in staat zijn tot non-stop heen-en-weer beweging (d.w.z. continue foto-isomerisatie) met één enkele lichtbron.
De onderzoekers zijn bezig met het karakteriseren van de op antraceen gebaseerde moleculen en gebruiken ze als bouwstenen om meer moleculaire kristalmotoren te creëren. Hun door licht geactiveerde menagerie omvat nu lange slangachtige touwen en een zeer harige spin die kan buigen, springen, draaien en dansen.
Al-Kaysi, een organisch chemicus aan de King Saud bin Abdulaziz University for Health Sciences en het King Abdullah International Medical Research Center, werkt al meer dan twintig jaar samen met Bardeen, een hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Californië, Riverside, aan fotomechanische kristallen.
Deze ‘slimme’ kristallen zetten de energie die ze uit licht absorberen om in mechanisch werk en worden doorgaans gekarakteriseerd als thermisch omkeerbaar of fotochemisch omkeerbaar. Met andere woorden, de initiële beweging van de kristallen als reactie op een lichtstimulus wordt omgekeerd met een tweede stimulus van respectievelijk warmte of licht. Een derde subset van deze slimme kristallen krijgt echter meer aandacht van scheikundigen als Al-Kaysi en Bardeen vanwege hun vermogen om continue, oscillerende bewegingen te ondersteunen bij blootstelling aan een enkele lichtbron.
De fotoreactieve moleculen in de bibliotheek van Al-Kaysi vormen het startpunt voor het maken van moleculaire kristalmotoren. Elk van de moleculen bevat drie segmenten:een antraceensegment, een dubbele koolstofbinding en een aanpasbare "kopgroep" aan de andere kant van de koolstofbinding. Het antraceen absorbeert licht en geeft de energie door aan de dubbele koolstofbinding, die fungeert als de as van het molecuul. Vervolgens bepaalt de hoofdgroep de kristalpakkingsstructuur, vorm en gedrag van het molecuul.
Zodra de antraceenmoleculen zijn gesynthetiseerd, worden ze in een zeepachtige oplossing geïnjecteerd, waar ze samenkomen in een proces dat kristaltechniek wordt genoemd. Deze gekristalliseerde klonten worden gebruikt als "zaadjes" en worden in een andere zeepachtige oplossing geplaatst met meer antraceenmoleculen, waar ze zichzelf assembleren tot grotere vormen, meestal staafjes en draden.
Sommige van deze structuren assembleren zichzelf tot nog complexere vormen die zichtbaar zijn met het blote oog. Hoewel de zelfassemblage van de motor grotendeels willekeurig is, zoeken de onderzoekers naar manieren om deze te sturen door de temperatuur en de zeepachtigheid van de vloeistof te variëren en door de vloeistof met verschillende snelheden te roeren.
Wanneer ze worden verlicht in hun zeepachtige oplossing, vertonen de motoren ingewikkelde en continue 3D-bewegingen. De onderzoekers kunnen de beweging van een motor afstemmen door de lichtintensiteit en golflengte aan te passen. Op moleculair niveau wordt de beweging aangedreven door foto-isomerisatie rond de dubbele koolstofbinding, weten de onderzoekers. Ze onderzoeken echter nog steeds hoe de moleculen dit gedrag over de hele moleculaire kristalmotor coördineren.
Tijdens demonstraties ontdekten de onderzoekers dat de motoren opmerkelijk duurzaam zijn en geen tekenen van vermoeidheid vertonen na urenlange blootstelling aan licht. En omdat ze op kristallen zijn gebaseerd, hebben ze een aangeboren weerstand tegen corrosie en elektromagnetische interferentie en bieden ze een "uitzonderlijke" gewicht-vermogensverhouding. Deze eigenschappen maken de moleculaire kristalmotoren volgens de onderzoekers bijzonder geschikt voor biomedische toepassingen, micromachines en microsatellieten.
Al-Kaysi en Bardeen zeggen dat hun fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen, met behulp van een ‘ingenieurstoets’, het potentieel hebben om problemen uit de echte wereld op te lossen, zoals door licht geactiveerde moleculaire machines voor de toediening van medicijnen en arrays die de waterstroom rond een scheepsromp.