La visione del futuro della miniaturizzazione ha prodotto una serie di motori molecolari sintetici che sono azionati da una serie di fonti di energia e possono eseguire vari movimenti. Un gruppo di ricerca della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) è ora riuscito a controllare una reazione di catalisi utilizzando un motore controllato dalla luce. Questo ci avvicina di un passo alla realizzazione della visione di una nano fabbrica in cui le combinazioni di varie macchine lavorano insieme, come nel caso delle cellule biologiche. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale della Società Chimica Americana .

Le leggi della meccanica non possono sempre essere applicate

Per definizione, un motore converte l'energia in un tipo specifico di energia cinetica. A livello molecolare, Per esempio, la proteina miosina può produrre contrazioni muscolari utilizzando energia chimica. Tali nanomacchine possono ora essere prodotte sinteticamente. Però, le molecole utilizzate sono molto più piccole delle proteine ​​e significativamente meno complesse.

"Le leggi della fisica meccanica non possono essere applicate semplicemente a livello molecolare, " dice il Prof. Dr. Henry Dube, Cattedra di Chimica Organica I alla FAU. Inerzia, Per esempio, non esiste a questo livello, lui spiega. Innescato dal moto browniano, le particelle sono costantemente in movimento. "Azionare un motore rotante non basta, è necessario incorporare un tipo di meccanismo a cricchetto che gli impedisca di girare all'indietro, " lui spiega.

Nel 2015 mentre era alla LMU di Monaco di Baviera, Il prof. Dube e il suo team hanno sviluppato un motore molecolare particolarmente veloce azionato dalla luce visibile. Nel 2018, hanno sviluppato il primo motore molecolare azionato esclusivamente dalla luce e funzionante indipendentemente dalla temperatura ambiente. Un anno dopo, svilupparono una variante in grado non solo di ruotare ma anche di eseguire un movimento a forma di otto. Tutti i motori sono basati sulla molecola dell'emitioindigo, una variante asimmetrica del colorante indaco naturale in cui un atomo di zolfo prende il posto dell'atomo di azoto. Una parte della molecola ruota in diversi passaggi nella direzione opposta all'altra parte della molecola. I passaggi guidati dall'energia sono attivati ​​dalla luce visibile e modificano le molecole in modo da bloccare le reazioni inverse.

Catalizzatori standard in uso

Dopo essere arrivato alla FAU, Henry Dube ha utilizzato per la prima volta il motore rotante sviluppato nel 2015 per controllare un processo chimico separato. Si muove in quattro fasi attorno al doppio legame carbonioso dell'emitioindaco. Due dei quattro passaggi innescati da una fotoreazione possono essere utilizzati per controllare una reazione di catalisi. "La luce verde genera una struttura molecolare che lega un catalizzatore all'emitioindigo e la luce blu rilascia il catalizzatore, " spiega il chimico.

Viene utilizzato un catalizzatore standard che non ha atomi di metallo. Usando forze elettrostatiche, il catalizzatore si aggancia tramite un legame idrogeno su un atomo di ossigeno nella "molecola motore". in linea di principio. "Il grande vantaggio dell'emitioindigo è che la sua struttura innata ha un meccanismo di legame per i catalizzatori, " spiega il prof. Dube. Altrimenti andrebbe aggiunto tramite sintesi chimica.

La rotazione del motore dell'emitioindaco è controllata dalla luce visibile. Allo stesso tempo, il sistema consente il rilascio mirato e l'incollaggio di un catalizzatore che accelera o decelera le reazioni chimiche desiderate. "Questo progetto è un passo importante verso l'integrazione dei motori molecolari nei processi chimici in modo semplice e in vari modi, " afferma il prof. Dube. "Questo ci consentirà di sintetizzare farmaci complessi con un alto livello di precisione utilizzando macchine molecolari come una linea di produzione in futuro".