La nuova generazione del motore molecolare sotto la luce infrarossa. Credito:Nong Hoang, Università di Groninga
I motori molecolari controllati dalla luce possono essere utilizzati per creare materiali funzionali per fornire movimento autonomo, o in sistemi che possono rispondere a comando. Per applicazioni biologiche, ciò richiede che i motori siano azionati da bassa energia, luce a bassa intensità che penetra nei tessuti. I chimici dell'Università di Groningen hanno progettato un motore rotativo alimentato in modo efficiente dalla luce nel vicino infrarosso, attraverso l'aggiunta di un'antenna alla molecola del motore. Il design e la funzionalità sono stati presentati sulla rivista Progressi scientifici il 28 ottobre.
Ben Feringa, Professore di Chimica Organica presso l'Università di Groninga, ha presentato la progettazione e la costruzione del primo motore molecolare rotativo unidirezionale azionato dalla luce nel 1999. Nel 2016, fu uno dei tre vincitori del Premio Nobel per la Chimica, per la progettazione e produzione di macchine molecolari. I suoi motori molecolari si sono evoluti da allora, ma una delle principali limitazioni per le applicazioni è che sono alimentate dalla luce ultravioletta. In molte applicazioni, La luce UV può essere dannosa per i materiali circostanti. I tentativi di utilizzare fotoni nel vicino infrarosso meno energetici per alimentare questi motori finora non hanno avuto successo.
Energia
L'adattamento della molecola del motore per accettare direttamente due fotoni a bassa energia invece di uno ad alta energia non ha avuto successo. Ecco perché gli scienziati del laboratorio Feringa ora hanno provato un approccio diverso. Attraverso un legame covalente, la molecola motore era collegata a un'antenna in grado di assorbire due fotoni nel vicino infrarosso. L'eccitazione risultante dell'antenna viene quindi trasmessa alla parte motoria della molecola.
Gran parte di questo lavoro è stato svolto da Lukas Pfeifer, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio Feringa, che ora lavora alla Swiss École Polytechnique Fédérale di Losanna. "Perché il sistema funzioni, i livelli di energia dell'antenna e del motore dovevano essere sintonizzati da vicino, " spiega. Ciò significava progettare una versione del motore molecolare che richiedesse l'esatta quantità di energia fornita dall'antenna per il movimento. "E serviva anche un linker che permettesse di collegare l'antenna senza interferire nella rotazione del motore".
Gli scienziati hanno cercato modi per utilizzare invece la luce nel vicino infrarosso, ma finora tutti i tentativi sono andati a vuoto. I ricercatori dell'Università di Groningen hanno ora progettato un'antenna che assorbe l'energia dalla luce nel vicino infrarosso. Questa antenna era attaccata alla molecola del motore, dove trasmette l'energia direttamente all'asse che guida il movimento del motore. Il risultato è una molecola motore che è alimentata dalla luce nel vicino infrarosso, che avvicina le applicazioni mediche. Credito:Nong Hoang e Lukas Pfeiffer
Semplice
"Questo è un trasferimento diretto dello stato eccitato, molto simile al modo in cui risuonano due corde di una chitarra quando una di esse viene colpita, " spiega Maxim Pshenichnikov, Professore di spettroscopia ultraveloce presso l'Università di Groningen e uno degli autori del Progressi scientifici carta. L'idea sembra abbastanza semplice. "Se sai come funziona, diventa davvero semplice, " dice Pshenichnikov. "Ma il design chimico non era certo banale".
Una complessa sequenza di eventi che mette in moto il motore si svolge in un arco di tempo molto ampio, da picosecondi (10 -12 s) in minuti. I diversi regimi temporali sono stati studiati da Pfeifer mediante NMR e da Nong Hoang, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di ricerca di Pshenichnikov, utilizzando la spettroscopia ultraveloce. Primo, l'antenna cattura due fotoni nel vicino infrarosso. Questo è seguito dal trasferimento di energia che avvia il movimento del motore. Fortunatamente, il design ha funzionato in modo molto efficiente.
Sogno
"Dopo molti anni di progettazione di motori molecolari, essere in grado di superare la necessità di luce UV ad alta energia per alimentare questi motori rotativi molecolari è come un sogno che diventa realtà, " afferma Ben Feringa. "Ritengo che i nostri risultati rappresentino una pietra miliare importante nella progettazione di motori molecolari artificiali e offrano molte prospettive per applicazioni future, che vanno dai materiali reattivi ai sistemi biomolecolari."
Il prossimo passo è semplificare la struttura del complesso motore-antenna. Ciò consentirebbe l'introduzione di funzionalità aggiuntive. Una possibile applicazione della nuova molecola motoria è quella di fungere da innesco per rilasciare il contenuto di una vescicola in un sistema biologico. Pshenichnikov:"Sono davvero curioso di vedere come si svilupperà la prossima generazione di questo sistema".
Riassunto di scienza semplice
Nel 1999, Ben Feringa, professore di chimica organica all'Università di Groninga, creò il primo motore molecolare guidato dalla luce. Questi minuscoli motori potrebbero essere utilizzati in tutti i tipi di applicazioni nanotecnologiche, per esempio nella consegna di farmaci. Però, sono alimentati da luce ultravioletta, che può essere dannoso. Gli scienziati hanno cercato modi per utilizzare invece la luce nel vicino infrarosso, ma finora tutti i tentativi sono andati a vuoto. I ricercatori dell'Università di Groningen hanno ora progettato un'antenna che assorbe l'energia dalla luce nel vicino infrarosso. Questa antenna era attaccata alla molecola del motore, dove trasmette l'energia direttamente all'asse che guida il movimento del motore. Il risultato è una molecola motore che è alimentata dalla luce nel vicino infrarosso, che avvicina le applicazioni mediche.
