Om moleculaire motoren effectief te kunnen benutten, ze moeten samen kunnen werken. Echter, het is een hele uitdaging gebleken om miljarden van deze nanometer-motoren in één systeem te integreren en ze tegelijk te laten werken. Organisch chemici van de Rijksuniversiteit Groningen zijn er nu in geslaagd om talloze unidirectionele, door licht aangedreven rotatiemotoren te integreren in een metaal-organisch raamwerk (een vast materiaal met een 3D-kooiachtige structuur). Details van hun ontdekking werden op 18 maart gepubliceerd, in het journaal Natuur Nanotechnologie .

Lichtaangedreven roterende moleculaire motoren werden voor het eerst gemaakt door Ben Feringa, een organisch chemicus aan de Rijksuniversiteit Groningen. Prof. Feringa en twee anderen ontvingen voor deze ontdekking in 2016 de Nobelprijs voor de Scheikunde. Groepen van verschillende soorten moleculaire motoren op nanoschaal zijn bevestigd aan oppervlakken en opgenomen in gels, vloeibare kristallen en spierachtige vezels waar ze werk op macroschaal kunnen uitvoeren, door middel van samenwerking. Echter, de creatie van een geordende reeks van deze motoren in een 3D solid-state materiaal heeft, tot nu, bleef buiten ons bereik.

Kristallen

Een team van wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen, onder leiding van Ben Feringa, Universitair docent Sander Wezenberg, en professor Wesley Browne, deze uitdaging aangegaan. Ze hebben nu een werkend systeem gemaakt met daarin 3 x 10 ²⁰ (een drie gevolgd door 20 nullen) door licht aangedreven unidirectionele rotatiemotoren per kubieke centimeter, die allemaal in harmonie verlopen.

De wetenschappers hebben de motoren ondergebracht in metaal-organische raamwerken (MOF's), moleculaire kooien gemaakt van metalen met onderling verbonden 'struts' van organische moleculen. Bestelde 3D-stapels van deze moleculaire kooien vormen kristallen. Toen ze deze kristallen eenmaal hadden gekweekt, het team verving de verticale pilaren door motormoleculen, met behulp van een proces dat bekend staat als solvent-assisted linker exchange. Het was niet mogelijk om de motoren in een eerder stadium te plaatsen, omdat ze niet in staat zouden zijn geweest om de omstandigheden te weerstaan ​​die nodig zijn om de MOF's te synthetiseren.

pijlers

De statorcomponenten van de moleculaire motoren fungeren als de pijlers van de kooien, terwijl de rotorcomponenten vrij in de kooien blijven. De kooien zijn ontworpen om groot genoeg te zijn om de motoren vrij te laten draaien, zonder hinder. De motoren zelf werden aangedreven door het kristal te verlichten met UV-licht. Tests op deze systemen toonden aan dat de motoren overwegend in dezelfde richting waren georiënteerd en dat hun rotatiesnelheid vergelijkbaar was met de snelheden die in vloeistoffen worden bereikt. Het team was verheugd, omdat eerdere pogingen van andere groepen om rotaxanen (een ander type moleculaire machine) in MOF's op te nemen, aantoonden dat deze motoren niet vrij konden draaien.

Dus, is het nu mogelijk om een ​​"gemotoriseerde MOF, " waarin grote aantallen moleculaire motoren dicht op elkaar zijn gepakt om macroscopische kristallen te creëren. In theorie, kristallen zoals deze kunnen worden gebruikt om de diffusie van gassen te regelen, of ze zouden kunnen functioneren als door licht aangedreven pompen in microfluïdische systemen. Een andere mogelijke toepassing zou zijn om de gemotoriseerde MOF te voeden met materialen die vervolgens in de kooien zouden reageren voordat ze er weer uit zouden worden gepompt.

Echter, er is veel meer onderzoek nodig voordat een van deze toepassingen werkelijkheid kan worden. Een mogelijk probleem, bijvoorbeeld, is dat materialen die door de kooien gaan de werking van de motoren kunnen verstoren, waardoor het systeem verstopt raakt. Hoe dan ook, het systeem dat door prof. Feringa en zijn team wordt gepresenteerd, zal een springplank bieden voor verdere verkenningen van het collectieve gedrag van roterende motoren die zijn geïntegreerd in 3D-arrays.