Lichtgestuurde moleculaire motoren kunnen worden gebruikt om functionele materialen te creëren voor autonome beweging, of in systemen die op commando kunnen reageren. Voor biologische toepassingen, dit vereist dat de motoren worden aangedreven door energiezuinige, licht van lage intensiteit dat weefsel doordringt. Chemici van de Rijksuniversiteit Groningen ontwierpen een roterende motor die efficiënt wordt aangedreven door nabij-infrarood licht, door een antenne aan het motormolecuul toe te voegen. Het ontwerp en de functionaliteit werden gepresenteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 28 oktober.

Ben Feringa, Hoogleraar Organische Chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen, presenteerde het ontwerp en de constructie van de eerste door licht aangedreven unidirectionele roterende moleculaire motor in 1999. In 2016, hij was een van de drie winnaars van de Nobelprijs voor de Scheikunde, voor het ontwerp en de productie van moleculaire machines. Zijn moleculaire motoren zijn sindsdien geëvolueerd, maar een belangrijke beperking voor toepassingen is dat ze worden aangedreven door ultraviolet licht. In veel toepassingen, UV-licht kan schadelijk zijn voor omringende materialen. Pogingen om minder energetische nabij-infraroodfotonen te gebruiken om deze motoren aan te drijven, zijn tot nu toe niet succesvol geweest.

Energie

Aanpassing van het motormolecuul om direct twee laagenergetische fotonen te accepteren in plaats van een hoogenergetische fotonen is niet gelukt. Daarom probeerden wetenschappers in het Feringa-laboratorium nu een andere aanpak. Door een covalente binding, het motormolecuul was gekoppeld aan een antenne die twee nabij-infrarode fotonen kan absorberen. De resulterende excitatie van de antenne wordt vervolgens doorgegeven aan het motorische deel van het molecuul.

Veel van dit werk werd uitgevoerd door Lukas Pfeifer, een postdoctoraal onderzoeker in het Feringa laboratorium, die nu werkt aan de Zwitserse École Polytechnique Fédérale in Lausanne. "Om het systeem te laten werken, de energieniveaus van de antenne en de motor moesten nauwkeurig worden afgestemd, " legt hij uit. Dit betekende het ontwerpen van een versie van de moleculaire motor die de exacte hoeveelheid energie nodig heeft die de antenne voor beweging levert. "En er was ook een linker nodig waarmee de antenne kan worden bevestigd zonder de rotatie van de motor te verstoren."

Eenvoudig

"Dit is een directe overdracht van de aangeslagen toestand, zeer vergelijkbaar met de manier waarop twee snaren op een gitaar zullen resoneren wanneer een van hen wordt aangeslagen, " legt Maxim Pshenichnikov uit, Hoogleraar Ultrasnelle Spectroscopie aan de Rijksuniversiteit Groningen en een van de auteurs van de wetenschappelijke vooruitgang papier. Het idee lijkt eenvoudig genoeg. "Als je weet hoe het werkt, het wordt heel eenvoudig, " zegt Pshenichnikov. "Maar het chemische ontwerp was zeker niet triviaal."

Een complexe opeenvolging van gebeurtenissen die de motor in beweging zet, vindt plaats over een zeer breed scala van tijden, vanaf picoseconden (10 ^-12 s) tot minuten. De verschillende tijdregimes werden bestudeerd door Pfeifer met behulp van NMR en door Nong Hoang, een doctoraat student in de onderzoeksgroep van Pshenichnikov, met behulp van ultrasnelle spectroscopie. Eerst, de antenne vangt twee nabij-infrarode fotonen op. Dit wordt gevolgd door de energieoverdracht die de motorische beweging initieert. Gelukkig, het ontwerp werkte zeer efficiënt.

Droom

"Na vele jaren van het ontwerpen van moleculaire motoren, het overwinnen van de behoefte aan hoogenergetisch UV-licht om deze moleculaire rotatiemotoren aan te drijven is als een droom die uitkomt, ", zegt Ben Feringa. "Ik ben van mening dat onze resultaten een belangrijke mijlpaal vormen in het ontwerp van kunstmatige moleculaire motoren en veel perspectieven bieden voor toekomstige toepassingen, variërend van responsieve materialen tot biomoleculaire systemen."

De volgende stap is het vereenvoudigen van de structuur van het motorantennecomplex. Dat zou de introductie van extra functionaliteiten mogelijk maken. Een mogelijke toepassing van het nieuwe motormolecuul is om te functioneren als een trigger om de inhoud van een blaasje in een biologisch systeem vrij te geven. Pshenichnikov:"Ik ben erg benieuwd hoe de volgende generatie van dit systeem zich gaat ontwikkelen."

Eenvoudige wetenschappelijke samenvatting

In 1999, Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen, creëerde de eerste door licht aangedreven moleculaire motor. Deze kleine motoren kunnen worden gebruikt in allerlei nanotechnologietoepassingen, bijvoorbeeld bij de levering van medicijnen. Echter, ze worden aangedreven door ultraviolet licht, wat schadelijk kan zijn. Wetenschappers hebben gezocht naar manieren om in plaats daarvan nabij-infrarood licht te gebruiken, maar alle pogingen tot nu toe zijn mislukt. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen ontwierpen nu een antenne die energie absorbeert uit nabij-infrarood licht. Deze antenne was bevestigd aan het motormolecuul, waar het de energie rechtstreeks naar de as overbrengt die de motorbeweging aandrijft. Het resultaat is een motormolecuul dat wordt aangedreven door nabij-infrarood licht, waarmee medische toepassingen een stap dichterbij komen.