Een studie gepubliceerd in Chemistry—A European Journal presenteert een proof-of-principle-ontwerp van moleculaire motoren.

"Kunstmatige moleculaire motoren zijn moleculen die licht absorberen van een externe bron, zoals zonlicht, en de energie in licht omzetten in kinetische energie", zegt Bo Durbeej, professor aan de Linköping Universiteit (LiU), die het onderzoek leidde.

'Moleculaire motoren' klinken misschien als sciencefiction, maar in het lichaam zijn er veel biologische moleculaire motoren die spieren aandrijven en stoffen in cellen transporteren. Onderzoekers in de scheikunde en nanotechnologie streven er al lang naar om kunstmatige moleculaire motoren te ontwikkelen, die in de toekomst op verschillende gebieden nuttig kunnen zijn. Mogelijke toepassingen zijn onder meer het gebruik ervan om medicijnen op de juiste plek in het lichaam af te leveren of om zonne-energie op te slaan.

Maar een motor alleen is niet genoeg. Een auto met alleen een motor of een motor maar geen wielen zou niet ver komen. Het vermogen van de motor moet worden overgebracht – in het geval van de auto – naar de wielen, en dit gebeurt via een versnellingsbak. Op dezelfde manier is de volgende stap op dit onderzoeksgebied het construeren van moleculaire tandwielen die de kinetische energie van het ene deel van een molecuul naar het andere kunnen overbrengen. Toekomstige toepassingen zijn afhankelijk van de mogelijkheid om de beweging ergens anders te gebruiken dan waar deze is gemaakt.

"Veel wetenschappers hebben lang geprobeerd moleculaire tandwielen te construeren. We hebben een ontwerpprincipe ontwikkeld voor de manier waarop we de roterende beweging naar een ander deel van een moleculair systeem kunnen overbrengen en volledige controle over de rotatierichting kunnen krijgen. Eerdere ontwerpen zijn er niet in geslaagd de roterende beweging", zegt Bo Durbeej.

Een grote uitdaging bij het ontwikkelen van een moleculair fototoestel is dat het onderdeel dat je wilt roteren, de 'propeller', door één enkele binding aan de rest van het molecuul is bevestigd. Enkelvoudige bindingen roteren heel gemakkelijk, waardoor het moeilijk wordt om de richting te controleren. Maar de LiU-onderzoekers zijn er nu in geslaagd dit probleem op te lossen door een functionele combinatie van verschillende factoren te vinden, waaronder de afstand tussen de propeller en het deel van het molecuul dat de 'motor' zelf vormt.

De onderzoekers hebben bevestigd dat hun ontwerp werkt door berekeningen en geavanceerde computersimulaties uit te voeren op supercomputers in het National Supercomputer Center in Linköping, aangeboden door de Swedish National Infrastructure for Computing, SNIC, en de National Academic Infrastructure for Supercomputing in Zweden, NAISS.

"We hebben nu laten zien dat ons ontwerpprincipe werkt. De volgende stap is het ontwikkelen van moleculaire fotoapparatuur die zo eenvoudig mogelijk te synthetiseren is", zegt Durbeej.

Meer informatie: Enrique M. Arpa et al, een proof-of-principle-ontwerp voor transmissie door de ruimte van unidirectionele roterende bewegingen door Molecular Photogears**, Chemistry – A European Journal (2023). DOI:10.1002/chem.202303191

Journaalinformatie: Chemie – een Europees tijdschrift

Geleverd door Linköping Universiteit