Duitse wetenschappers hebben een nieuwe klasse moleculaire motoren ontwikkeld die unidirectioneel roteren met snelheden tot 1 kHz bij blootstelling aan zonlicht bij kamertemperatuur. Deze unieke combinatie van functies opent nieuwe toepassingen in nano-engineering.

Moleculaire motoren zijn synthetische chemische verbindingen die extern geleverde energie kunnen omzetten in mechanische beweging. Dergelijke moleculen, die specifiek zijn ontworpen om gerichte bewegingen uit te voeren als reactie op een specifieke stimulus, zijn een essentiële voorwaarde voor de bouw van bruikbare nanomachines. Tot de meest veelbelovende soorten moleculaire 'motorblokken' behoren stoffen waarvan de driedimensionale conformatie kan worden veranderd door blootstelling aan licht. "Echter, alle door licht geactiveerde moleculaire motoren die tot nu toe zijn beschreven, gebruiken UV-licht als energiebron. Maar dit beperkt hun potentiële toepassingsgebied ernstig, omdat de hoogenergetische fotonen schadelijke effecten kunnen hebben op de nanomachines als geheel, " legt Dr. Henry Dube uit, wie is er bij LMU's Depart Natuurcommunicatie van Chemie. Dube en zijn collega's hebben nu een manier gevonden om dit obstakel te omzeilen:ze hebben een nieuwe klasse moleculaire rotor ontwikkeld die kan worden aangedreven door zichtbaar licht - dat minder energetisch is dan UV-straling en daarom minder snel de werking van complexere systemen in gevaar brengt. De onderzoekers beschrijven de verbinding en zijn eigenschappen in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De basis van de nieuw ontwikkelde moleculaire motor is het molecuul hemithioindigo. Hemithioindigo is een fotoschakelaar, die is gemaakt van twee organische moleculen, die zijn verbonden door een dubbele koolstofbinding. Blootstelling aan licht verandert de structuur van hemithioindigo, waardoor het om de centrale dubbele binding draait. In tegenstelling tot de eerder beschreven lichtgestuurde motoren, rotatie van de op hemithioindigo gebaseerde motor vereist het minder energetische zichtbare licht - en het roteert extreem snel:de onderzoekers toonden aan dat het molecuul - unidirectioneel - ongeveer 1000 keer per seconde roteert bij kamertemperatuur. "We waren zelf verrast dat de motor zo goed werkt, want het is bekend dat veel moleculaire motoren niet constant in één richting draaien, maar tot op zekere hoogte ook in de tegenovergestelde zin draaien, ", zegt Dube. "Gezien de complexiteit die betrokken is bij het ontwerp van dergelijke motormoleculen, het is echt verbazingwekkend dat we bij de eerste poging de volledige controle over de draairichting hebben gekregen."

Het feit dat de nieuwe verbinding kan worden aangedreven door zichtbaar licht, betekent ook dat het veel veelzijdiger is dan eerder beschreven door licht aangedreven moleculaire motoren. "Maar we hebben nog een lange weg te gaan voordat moleculaire motoren kunnen worden geïntegreerd in complexere nanomachines om functies uit te voeren die ingewikkelder zijn dan de gerichte roterende beweging die we nu hebben aangetoond, Dube wijst erop. "Het doel op lange termijn op dit gebied is de miniaturisering van werkende machines tot het groottebereik van organische moleculen. Dergelijke nanomachines zouden ongekende precisie bieden bij de verwerking of gerichte modificatie van materie op moleculaire schaal, het openen van geheel nieuwe mogelijkheden op vele onderzoeksgebieden, " hij voegt toe.