Een team van chemici van LMU heeft met succes de gerichte beweging van een door licht geactiveerde moleculaire motor gekoppeld aan een andere chemische eenheid, en heeft daarmee een belangrijke stap gezet in de richting van de realisatie van synthetische nanomachines.

Moleculaire motoren zijn chemische verbindingen die energie omzetten in gerichte bewegingen. Bijvoorbeeld, het is mogelijk om een ​​substituent die aan een specifieke chemische binding is bevestigd, in één richting te laten roteren bij blootstelling aan licht van een bepaalde golflengte. Dit soort moleculen zijn daarom van groot belang als aandrijfeenheden voor nanomachines. Echter, om nuttig werk te verrichten, deze motoren moeten zodanig in grotere assemblages worden geïntegreerd dat hun mechanische bewegingen effectief kunnen worden gekoppeld aan andere moleculaire eenheden. Tot dusver, dit doel is buiten bereik gebleven. LMU-chemicus Dr. Henry Dube is een bekend specialist op het gebied van moleculaire motoren. Nu hebben hij en zijn team een ​​belangrijke stap gezet om dit doel te bereiken. Zoals ze rapporteren in het gerenommeerde tijdschrift Angewandte Chemie , ze zijn erin geslaagd de eenrichtingsbeweging van een chemische motor te koppelen aan een ontvangereenheid, en toonde aan dat de motor niet alleen de ontvanger in dezelfde richting kan laten draaien, maar tegelijkertijd zijn rotatie aanzienlijk kan versnellen.

De moleculaire motor in Dube's opstelling is gebaseerd op het molecuul hemithioindigo, die een mobiele koolstof dubbele binding bevat (-C=C-). Wanneer de verbinding wordt blootgesteld aan licht van een specifieke golflengte, deze binding roteert in één richting. "In een paper gepubliceerd in 2018, we hebben kunnen aantonen dat deze directionele rotatie van dubbele bindingen door middel van een moleculaire 'kabel' kan worden overgedragen aan de rotatie van een enkele koolstofbinding van een secundaire moleculaire eenheid", zegt Dube. "Deze enkele binding zelf roteert willekeurig onder invloed van temperatuur fluctuaties. Maar, dankzij de fysieke koppeling tussen hen, de unidirectionele beweging van de door licht aangedreven motor wordt overgebracht op de enkele binding, die gedwongen wordt in dezelfde richting te draaien."

Om te verifiëren dat de "gemotoriseerde" binding actief de beweging van de enkele binding aanstuurde, en niet alleen de draairichting vertekend, Dube en collega's hebben een rem aan het systeem toegevoegd die de thermische beweging van de enkele binding verminderde. De wijziging zorgde ervoor dat de motor energie zou moeten verbruiken om het effect van de rem te overwinnen om de enkele binding te laten roteren. "Dit experiment stelde ons in staat om te bevestigen dat de motor echt de rotatiesnelheid van de enkele binding bepaalt - en deze in feite met verschillende ordes van grootte verhoogt, ' legt Dube uit.

Bij elkaar genomen, deze resultaten bieden ongekend gedetailleerde inzichten in de werking van een geïntegreerde moleculaire machine. In aanvulling, de experimentele opstelling stelde de auteurs in staat om de potentiële energie te kwantificeren die beschikbaar is om nuttig werk aan te drijven, daarmee de eerste indicatie van hoeveel werk effectief kan worden gedaan door een enkele moleculaire motor onder realistische omstandigheden. "Onze volgende uitdaging zal zijn om aan te tonen dat de energie die in dit systeem wordt overgedragen inderdaad kan worden gebruikt om nuttig werk op moleculaire schaal uit te voeren, " zegt Dubbe.