Con l'aiuto della spettroscopia ultraveloce e dei calcoli della meccanica quantistica, I ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera hanno caratterizzato il ciclo di rotazione completo del molecola motore chimica emitioindigo.

Il chimico Dr. Henry Dube, dirigendo un Emmy Noether Junior Research Group, ha sviluppato una macchina molecolare basata sulla molecola hemithioindigo (HTI). Esibisce un movimento rotatorio unidirezionale su uno specifico legame chimico quando esposto alla luce. In collaborazione con il Prof. Eberhard Riedle di BioMolekulare Optik e il fisico Regina de Vivie-Riedle, ora ha risolto la dinamica dell'intero meccanismo di rotazione. I risultati appaiono in Giornale dell'American Chemical Society (JACS) .

L'emitioindigo contiene un doppio legame centrale carbonio-carbonio (C=C). Questo tipo di legame è in grado di subire un reversibile, cambiamento strutturale dipendente dalla luce noto come fotoisomerizzazione, che normalmente non è direzionale. Nei lavori precedenti, Dube aveva dimostrato che l'HTI può fungere da base per un motore molecolare il cui movimento può essere controllato con precisione. Nel motore molecolare basato su HTI, una successione di fasi di fotoisomerizzazione e di inversione dell'elica termica fa sì che il doppio legame centrale ruoti in modo unidirezionale ad una velocità fino a 1 kHz a temperatura ambiente. Mentre la maggior parte degli altri motori chimici richiedono luce ultravioletta ad alta energia per alimentarli, il motore HTI può essere azionato con luce visibile. Questa caratteristica ne amplia il campo di applicazione e ne aumenta le potenzialità di utilizzo in contesti biologici e medici.

Il team ha ora caratterizzato la dinamica della rotazione unidirezionale nel motore HTI utilizzando una varietà di tecniche spettroscopiche ultraveloci per distinguere gli stati intermedi nel ciclo di rotazione. Confrontando questi risultati con calcoli quantomeccanici dettagliati dei possibili percorsi di reazione, sono stati in grado di costruire un preciso modello quantitativo del funzionamento di questa nanomacchina. I risultati mostrano che la rotazione rimane unidirezionale anche a temperatura ambiente, e rivela come la velocità di rotazione può essere migliorata in modo più efficace. L'intero ciclo di rotazione si risolve in quattro stati conformazionali ed energetici, e le probabilità e le velocità delle transizioni tra di esse furono determinate per la prima volta. I tempi rilevanti per queste transizioni variano da picosecondi (10-12 s) a millisecondi (10-3 s). Tutti i passaggi rilevanti sono stati monitorati con successo spettroscopicamente nelle stesse condizioni, cioè su un intervallo che abbraccia nove ordini di grandezza.

"La nostra analisi completa fornisce informazioni funzionali senza precedenti sul funzionamento di tali motori molecolari. Ora abbiamo un quadro completo del movimento rotatorio di questa molecola, che possiamo sfruttare per sviluppare nuovi approcci alla progettazione del motore che fanno un uso migliore dell'energia luminosa e sono quindi più efficienti, "dice Dube.