I motori molecolari azionati dalla luce esistono da oltre 20 anni. Questi motori impiegano tipicamente da microsecondi a nanosecondi per un giro. Thomas Jansen, professore associato di fisica all'Università di Groninga, e lo studente del Master Atreya Majumdar hanno ora progettato un motore molecolare ancora più veloce. Il nuovo design è guidato solo dalla luce e può compiere un giro completo in picosecondi utilizzando la potenza di un singolo fotone. Jansen dice, "Abbiamo sviluppato un nuovo design out-of-the-box per una molecola motore che è molto più veloce". Il design è stato pubblicato su Il Journal of Physical Chemistry Letters il 7 giugno.

Il nuovo design della molecola del motore è iniziato con un progetto in cui Jansen voleva comprendere il panorama energetico dei cromofori eccitati. "Questi cromofori possono attrarsi o respingersi a vicenda. Mi chiedevo se potessimo usarlo per fargli fare qualcosa, " spiega Jansen. Ha affidato il progetto ad Atreya Majumdar, poi uno studente del primo anno del corso di laurea magistrale in Nanoscience a Groningen. Majumdar ha simulato l'interazione tra due cromofori che erano collegati per formare una singola molecola.

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Majumdar, che ora è un dottorato di ricerca. studente in nanoscienze presso l'Université Paris-Saclay in Francia, dice, "Un singolo fotone ecciterà entrambi i cromofori contemporaneamente, creando dipoli che li fanno respingere l'un l'altro." Ma poiché sono attaccati insieme, collegati da un asse di triplo legame, le due metà si spingono l'una verso l'altra attorno all'asse. "Durante questo movimento, iniziano ad attrarsi a vicenda." Insieme, questo si traduce in una rotazione completa, generata dall'energia luminosa e dalla comunicazione elettrostatica tra i due cromofori.

Il motore molecolare originale azionato dalla luce è stato sviluppato dal collega di Jansen, Ben Feringa, professore di chimica organica all'Università di Groningen e vincitore del Premio Nobel per la Chimica 2016. Questo motore fa un giro in quattro fasi. Due passi sono guidati dalla luce e due sono guidati dal calore. "Le fasi del calore sono limitanti, " spiega Jansen. "La molecola deve attendere una fluttuazione dell'energia termica per portarla al passaggio successivo".

colli di bottiglia

Al contrario, nel nuovo disegno, una rotazione è completamente in discesa da uno stato eccitato. Per le leggi della dinamica quantistica, un fotone eccita entrambi i cromofori contemporaneamente, quindi non ci sono grossi colli di bottiglia per limitare la velocità di rotazione, che risulta quindi da due a tre ordini di grandezza maggiore di quello dei classici motori Feringa.

Tutto questo è ancora teorico, sulla base di calcoli e simulazioni. "Costruire uno di questi motori non è banale, " dice Jansen. I cromofori sono ampiamente usati ma leggermente fragili. Anche creare un triplo asse di legame non è facile. Jansen si aspetta che qualcuno proverà a costruire questa molecola organica ora che le sue proprietà sono state descritte. E non è una molecola specifica che ha queste proprietà, aggiunge Majumdar:"Abbiamo creato una guida generale per la progettazione di questo tipo di motore molecolare".

Planimetria

Jansen afferma che ci sono alcune potenziali applicazioni:potrebbero essere utilizzate per alimentare la somministrazione di farmaci o spostare oggetti su scala nanometrica su una superficie, oppure potrebbero essere utilizzati in altre applicazioni nanotecnologiche. E la velocità di rotazione è ben al di sopra di quella del processo biofisico medio, quindi può essere utilizzato per controllare i processi biologici. Nelle simulazioni, i motori sono stati fissati ad una superficie ma ruoteranno anche in soluzione. Jansen dice, "Sarà necessario un sacco di ingegneria e messa a punto per realizzare questi motori, ma il nostro progetto fornirà un nuovo tipo di motore molecolare".