I motori molecolari azionati dalla luce sono stati sviluppati per la prima volta quasi 25 anni fa presso l’Università di Groningen, nei Paesi Bassi. Ciò ha portato a un premio Nobel per la chimica condiviso per il professor Ben Feringa nel 2016. Tuttavia, far funzionare questi motori si è rivelata una sfida. Un nuovo articolo del laboratorio Feringa, pubblicato su Nature Chemistry il 26 aprile, descrive una combinazione di miglioramenti che avvicinano le applicazioni alla vita reale.

Il primo autore Jinyu Sheng, ora ricercatore post-dottorato presso l'Istituto di Scienza e Tecnologia Austria (ISTA), ha adattato un motore molecolare di "prima generazione" azionato dalla luce durante il suo dottorato di ricerca. studi nel laboratorio Feringa. Il suo obiettivo principale era aumentare l'efficienza della molecola motrice. "È molto veloce, ma solo il 2% dei fotoni assorbiti dalla molecola guida il movimento rotatorio."

Questa scarsa efficienza può ostacolare le applicazioni nella vita reale. "Inoltre, una maggiore efficienza ci darebbe un migliore controllo del movimento", aggiunge Sheng. Il movimento rotatorio del motore molecolare di Feringa avviene in quattro fasi:due di esse sono fotochimiche, mentre due sono guidate dalla temperatura. Questi ultimi sono unidirezionali, ma i passaggi fotochimici provocano un'isomerizzazione della molecola che solitamente è reversibile.

Sheng si è proposto di migliorare la percentuale di fotoni assorbiti che guidano il movimento rotatorio. "È molto difficile prevedere come ciò possa essere realizzato e, alla fine, abbiamo scoperto per caso un metodo che ha funzionato." Sheng ha aggiunto un gruppo funzionale aldeidico alla molecola motrice, come primo passo verso un'ulteriore trasformazione.

"Tuttavia, ho deciso di testare la funzione motoria di questa versione intermedia e l'ho trovata molto efficiente come non avevamo mai visto prima."

Per questo ha collaborato con il gruppo di fotonica molecolare presso l'Istituto di scienze molecolari Van 't Hoff dell'Università di Amsterdam. Utilizzando la spettroscopia laser avanzata e calcoli chimici quantistici sono stati mappati i percorsi di decadimento elettronico, fornendo informazioni dettagliate sul funzionamento del motore molecolare.

Inoltre, è diventato chiaro che l'adattamento ha effettivamente dato a Sheng un migliore controllo del movimento rotatorio della molecola. Come accennato in precedenza, il motore molecolare ruota in quattro fasi distinte. Sheng dice:"In precedenza, se irradiassimo un lotto di motori con la luce, otterremmo una miscela di motori in diverse fasi del ciclo di rotazione. Dopo la modifica, è stato possibile sincronizzare tutti i motori e controllarli in ogni fase."

Questo apre tutti i tipi di possibilità. Ad esempio, i motori potrebbero essere utilizzati come drogante chirale nei cristalli liquidi, dove le diverse posizioni creerebbero diversi colori di riflessione. Nel documento, Sheng e i suoi colleghi ne presentano un esempio. Altre applicazioni potrebbero, ad esempio, essere il controllo dell'autoassemblaggio molecolare.

L'aggiunta di un gruppo aldeidico alla molecola motrice ha anche un altro effetto interessante:sposta l'assorbimento della luce su una lunghezza d'onda maggiore. Poiché lunghezze d'onda maggiori penetrano maggiormente nei tessuti viventi o nel materiale sfuso, ciò significa che i motori potrebbero funzionare in modo molto più efficiente nelle applicazioni mediche e nella scienza dei materiali perché più luce raggiungerà la molecola del motore, mentre questa utilizzerà anche i fotoni in modo più efficiente.

"Alcuni nostri colleghi stanno ora lavorando con noi su questo nuovo motore molecolare per diverse applicazioni", afferma Sheng. Si aspetta più articoli su questo argomento nel prossimo futuro. Nel frattempo, c'è un'altra sfida per il laboratorio Feringa:"Il motore molecolare ora è più efficiente ma non sappiamo esattamente perché la modifica causi questo effetto. Attualmente ci stiamo lavorando."

Ulteriori informazioni: Jinyu Sheng et al., La formilazione aumenta le prestazioni dei motori molecolari rotanti derivati ​​da alcheni sovraffollati guidati dalla luce, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01521-0

Informazioni sul giornale: Chimica della Natura

Fornito dall'Università di Groningen