Искусственный молекулярный мотор был синтезирован командой голландского лауреата Нобелевской премии Бена Феринга из Университета Гронингена, который является соавтором статьи. Феринга была удостоена Нобелевской премии по химии 2016 года вместе с Жан-Пьером Соважем из Страсбургского университета и сэром Фрейзером Стоддартом из Северо-Западного университета США за разработку и синтез молекулярных машин.«Функциональные характеристики таких наномашин явно вытекают из их уникальных структурных свойств», — пишут авторы в своем исследовании. «Чтобы лучше понять и оптимизировать молекулярные механизмы, важно знать их детальную структуру и то, как эта структура изменяется во время ключевых механических этапов, предпочтительно в условиях, в которых система не нарушается внешними воздействиями».Роторный двигатель, исследуемый здесь, имеет большие перспективы для множества приложений, как объясняет первый автор Серджио Домингос из DESY и Института структуры и динамики материи Макса Планка (MPSD): «Химики все не знают об этой молекуле и пытаются соединить ее. это с рядом других молекул ». При активации светом наномашина проходит последовательные фотохимические и термические этапы, совершая пол-оборота.
Затем второй спусковой механизм заставляет двигатель совершить полный оборот, возвращаясь в исходное положение.«Такая активация светом идеальна, поскольку обеспечивает неинвазивные и высоко локализованные средства для удаленной активации двигателя», — говорит Домингос. «Его можно использовать, например, в качестве эффективной двигательной функции, которая может быть интегрирована с лекарством, устанавливая контроль над его действием и высвобождая его в точно намеченное место в теле: активируемые светом лекарства будущего.
Но также На ум приходят такие приложения, как активируемый светом катализ и передача движения на молекулярном уровне в макроскопический мир. Для таких приложений важно понимать точную структуру моторной молекулы и подробно понимать, как она работает ».
Атомный состав моторной молекулы ранее исследовался с помощью рентгеновских лучей. Для рентгеноструктурного анализа сначала нужно было вырастить молекулы в кристаллы. Затем кристаллы характерным образом дифрагируют рентгеновские лучи, и по полученной дифракционной картине можно рассчитать расположение атомов. «Напротив, мы исследовали свободно плавающие изолированные молекулы в газе», — объясняет Шнелл, который работает в Центре лазерных наук на свободных электронах (CFEL), в сотрудничестве между DESY, Гамбургским университетом и Обществом Макса Планка. «Таким образом, мы можем видеть молекулу такой, какая она есть, без каких-либо внешних воздействий, таких как растворители или связующие вещества».Чтобы определить их структуру, свободно плавающие молекулы подвергались воздействию резонансного микроволнового поля. «Мы использовали электромагнитное поле, чтобы сориентировать все молекулы в одном направлении и когерентным образом, а затем записали их релаксацию при выключении поля», — объясняет Шнелл, который также возглавляет исследовательскую группу в MPSD и является профессором физической химии. в Кильском университете. «Это показывает так называемые константы вращения молекулы, которые, в свою очередь, дают нам точную информацию о ее структурном устройстве».
Этот анализ так называемой микроволновой спектроскопии непрост. В случае моторной молекулы ученым пришлось сопоставить более 200 линий спектра и сравнить их числа с симуляциями из расчетов квантовой химии. «Что касается количества атомов, то молекулярный мотор в настоящее время является самой большой молекулой, структура которой была решена с помощью микроволновой спектроскопии», — объясняет Шнелл.Чтобы заставить молекулы плавать в микроволновой камере, их нужно было нагреть до 180 градусов Цельсия, а затем быстро охладить до минус 271 градуса. «Из-за нагрева некоторые двигатели разваливались, ломаясь на оси», — сообщает Домингос. «Таким образом, мы могли видеть ротор и статор независимо друг от друга, подтверждая их структуру.
Это также дает нам некоторое представление о механизме, с помощью которого они разваливаются».Окончательный анализ указывает на небольшие отклонения от структуры, определенной с помощью рентгеновских лучей, когда молекулы взаимодействуют друг с другом в кристалле. «Это показывает, что на структуру двигателя безошибочно влияет окружающая среда», — говорит Домингос. Что еще более важно, микроволновая техника открывает возможность изучать динамику моторной молекулы. «Теперь, когда мы можем видеть молекулу такой, какая она есть на самом деле, мы хотим поймать ее в действии», — подчеркивает Домингос.
Ротор переходит в промежуточное состояние, которое длится около трех минут — достаточно долго, чтобы его можно было исследовать с помощью микроволновой спектроскопии. Исследователи уже планируют такие исследования, из которых они надеются подробно узнать, как работает молекулярный мотор.