Молекулярные двигатели с приводом от света существуют уже более 20 лет. Эти двигатели обычно занимают от микросекунд до наносекунд на один оборот. Томас Янсен, доцент физики в Университете Гронингена, и магистрант Атрея Маджумдар разработали еще более быстрый молекулярный двигатель.
Новый дизайн управляется только светом и может совершить полный оборот за пикосекунды, используя мощность одного фотона.
Янсен говорит:
«Мы разработали новую оригинальную конструкцию моторной молекулы, которая работает намного быстрее».
Разработка новой моторной молекулы началась с проекта, в котором Янсен хотел понять энергетический ландшафт возбужденных хромофоров.
«Эти хромофоры могут притягивать или отталкивать друг друга. Я подумал, можем ли мы использовать это, чтобы заставить их что-то делать», - объясняет Янсен.
Он передал этот проект Атрейе Маджумдару, который тогда был студентом первого курса магистерской программы по нанонауке в Гронингене. Мажумдар моделировал взаимодействие двух хромофоров, которые были соединены в единую молекулу.
Свет
Маджумдар, который сейчас является доктором философии, говорит:
«Один фотон возбуждает оба хромофора одновременно, создавая диполи, которые заставляют их отталкиваться друг от друга. Но поскольку они склеены вместе, соединены осью тройной связи, две половинки отталкивают друг друга вокруг оси. Во время этого движения они начинают притягивать друг друга. Вместе это приводит к полному вращению, генерируемому световой энергией и электростатической связью между двумя хромофорами».
Оригинальный световой молекулярный двигатель был разработан коллегой Янсена Беном Ферингой, профессором органической химии в Университете Гронингена и лауреатом Нобелевской премии по химии 2016 года. Этот мотор делает один оборот за четыре шага. Две ступеньки двигаются светом, а две - теплом.
«Шаги нагрева ограничивают скорость», - объясняет Янсен. «Молекула должна дождаться колебания тепловой энергии, чтобы перейти к следующему этапу».
Узкие места
Напротив, в новом дизайне вращение происходит полностью вниз из возбужденного состояния. В соответствии с законами квантовой динамики один фотон возбуждает оба хромофора одновременно, поэтому нет серьезных узких мест для ограничения скорости вращения, которая, следовательно, на два-три порядка больше, чем у классических двигателей.
Все это пока является теорией, основанной на расчетах и моделировании.
«Создать один из этих двигателей нетривиально», - говорит Янсен.
Хромофоры широко используются, но они хрупкие. Создание оси тройной связи также непросто. Янсен ожидает, что кто-то попытается построить эту органическую молекулу теперь, когда ее свойства были описаны.
«И это не одна конкретная молекула, обладающая этими свойствами», - добавляет Маджумдар. «Мы создали общее руководство по созданию этого типа молекулярного двигателя».
По словам Янсена, подобные двигатели могут использоваться для доставки лекарств или перемещения наноразмерных объектов по поверхности или в других нанотехнологических приложениях, а также для управления биологическими процессами, пишет phys.org. В моделировании двигатели были прикреплены к поверхности, но они также будут вращаться в растворе.
Янсен добавляет:
«Чтобы реализовать эти двигатели, потребуется много инженерных работ и настроек, но наш проект предоставит совершенно новый тип молекулярного двигателя».
Написать комментарий