Molekulare Kristallmotoren bewegen sich wie Mikroben, wenn sie Licht ausgesetzt werden

Auf den ersten Blick ähneln die molekularen Motoren von Rabih O. Al-Kaysi den mikroskopisch kleinen Würmern, die man in einem Wassertropfen in einem Teich sehen würde. Aber diese zappelnden Bänder sind nicht lebendig; Dabei handelt es sich um Geräte aus kristallisierten Molekülen, die bei Lichteinwirkung koordinierte Bewegungen ausführen. Bei weiterer Weiterentwicklung, sagen Al-Kaysi und seine Kollegen, könnten ihre winzigen Maschinen von Ärzten als Medikamentenverabreichungsroboter eingesetzt oder in Netzwerke integriert werden, die den Wasserfluss um U-Boote lenken würden.

Ihre Ergebnisse werden die Forscher heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen.

Das Team baute 2021 seinen ersten Molekularkristallmotor mit Molekülen, die eine Photoisomerisierung ermöglichten. Einfach ausgedrückt schwingen einzelne Moleküle im Motor eine ihrer chemischen Gruppen hin und her, wenn sie Licht ausgesetzt werden, und ihre kollektive Bewegung führt zu einer sichtbaren Bewegung des Motors. sich selbst.

„Unser erster Motor war ein Mikrodraht, der sich verbogen und schweben ließ, wenn ich ihn einer Kombination aus UV-Licht und sichtbarem Licht aussetzte“, sagt Al-Kaysi. „Es sah aus wie eine Bandtänzerin. Sie sah lebendig aus.“

Die Moleküle im ersten Motor des Teams benötigten mehrere Lichtwellenlängen (UV und sichtbar), um die Photoisomerisierung voranzutreiben. Al-Kaysi und sein Kollege Christopher Bardeen wollten jedoch molekulare Kristallmotoren entwickeln, die zum Betrieb nur eine einzige Lichtwellenlänge benötigen. Deshalb synthetisierten sie eine Bibliothek lichtabsorbierender Anthracenmoleküle, die mit einer einzigen Lichtquelle eine ununterbrochene Hin- und Herbewegung – also eine kontinuierliche Photoisomerisierung – ermöglichen.

Forscher charakterisieren Anthracen-basierte Moleküle und verwenden sie als Bausteine ​​zur Herstellung weiterer molekularer Kristallmotoren. Zu ihrer durch Licht aktivierten Menagerie gehören nun lange, schlangenartige Seile und eine sehr haarige Spinne, die sich beugen, springen, drehen und tanzen kann.

Al-Kaysi, ein organischer Chemiker an der King Saud bin Abdulaziz University of Health Sciences und dem King Abdullah International Medical Research Center, arbeitet seit mehr als zwei Jahrzehnten mit Bardeen, einem Chemieprofessor an der University of California, Riverside, an fotomechanischen Kristallen.

Diese „intelligenten“ Kristalle wandeln die Energie, die sie vom Licht absorbieren, in mechanische Arbeit um und werden im Allgemeinen als thermisch reversibel oder photochemisch reversibel charakterisiert. Mit anderen Worten: Die anfängliche Bewegung der Kristalle als Reaktion auf einen Lichtreiz wird durch einen zweiten Wärme- bzw. Lichtreiz umgekehrt. Allerdings erregt eine dritte Untergruppe dieser intelligenten Kristalle bei Chemikern wie Al-Kaysi und Bardeen aufgrund ihrer Fähigkeit, eine kontinuierliche oszillierende Bewegung aufrechtzuerhalten, wenn sie einer einzelnen Lichtquelle ausgesetzt wird, mehr Aufmerksamkeit.

Photoreaktive Moleküle aus Al-Kaysis Bibliothek bilden den Ausgangspunkt für die Herstellung molekularer Kristallmotoren. Jedes der Moleküle enthält drei Segmente: ein Anthracensegment, eine Kohlenstoffdoppelbindung und eine anpassbare „Kopfgruppe“ auf der anderen Seite der Kohlenstoffbindung. Anthracen absorbiert Licht und überträgt Energie an die Kohlenstoffdoppelbindung, die als Achse des Moleküls fungiert. Als nächstes bestimmt die Kopfgruppe die Struktur, Form und das Verhalten der Kristallpackung des Moleküls.

Sobald die Anthracenmoleküle synthetisiert sind, werden sie in eine Seifenlösung injiziert, wo sie in einem Prozess namens „Crystal Engineering“ zusammenkommen. Diese kristallisierten Klumpen werden als „Samen“ verwendet und in eine andere Seifenlösung gegeben, die mehr Anthracenmoleküle enthält, wo sie sich selbst zu größeren Formen zusammenfügen, normalerweise Stäbchen und Fäden.

Einige dieser Strukturen organisieren sich selbst und bilden noch komplexere Formen, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Obwohl die Selbstorganisation des Motors größtenteils zufällig erfolgt, suchen Forscher nach Möglichkeiten, sie zu steuern, indem sie die Temperatur und den Seifengehalt der Flüssigkeit variieren und die Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rühren.

Wenn die Motoren in ihrer Seifenlösung beleuchtet werden, zeigen sie komplexe, kontinuierliche 3D-Bewegungen. Forscher können die Bewegung eines Motors steuern, indem sie die Intensität und Wellenlänge des Lichts anpassen. Auf molekularer Ebene wird die Bewegung durch Photoisomerisierung um die Kohlenstoffdoppelbindung vorangetrieben, wissen die Forscher. Sie untersuchen jedoch noch, wie Moleküle dieses Verhalten über den gesamten molekularen Kristallmotor hinweg koordinieren.

Bei Demonstrationen stellten die Forscher fest, dass die Motoren bemerkenswert langlebig sind und auch nach stundenlanger Lichteinwirkung keine Ermüdungserscheinungen zeigen. Und weil sie auf Kristallen basieren, sind sie von Natur aus beständig gegen Korrosion und elektromagnetische Störungen und bieten ein „außergewöhnliches“ Gewichts-/Leistungsverhältnis. Nach Ansicht der Forscher eignen sich molekulare Kristallmotoren aufgrund dieser Eigenschaften besonders für biomedizinische Anwendungen, Mikromaschinen und Mikrosatelliten.

Al-Kaysi und Bardeen sagen, dass ihre grundlegenden wissenschaftlichen Entdeckungen mit Hilfe eines „Ingenieurs“ das Potenzial haben, reale Probleme zu lösen, etwa lichtaktivierte molekulare Maschinen für die Medikamentenabgabe, Medikamente und Netzwerke, die den Wasserfluss lenken um den Rumpf eines Schiffes herum.