Effizienterer molekularer Motor erweitert potenzielle Anwendungen

Lichtbetriebene molekulare Motoren wurden erstmals vor fast 25 Jahren an der Universität Groningen in den Niederlanden entwickelt. Dies führte 2016 zu einem gemeinsamen Nobelpreis für Chemie für Professor Ben Feringa. Es erwies sich jedoch als Herausforderung, diese Motoren tatsächlich zum Laufen zu bringen. Ein neuer Artikel aus dem Feringa-Labor, veröffentlicht in Natürliche Chemie am 26. April beschreibt eine Kombination von Verbesserungen, die reale Anwendungen näher bringen.

Erstautor Jinyu Sheng, jetzt Postdoktorand am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), adaptierte während seiner Doktorarbeit einen lichtbetriebenen molekularen Motor der „ersten Generation“. Studien im Feringa-Labor. Sein Hauptziel bestand darin, die Effizienz des Motormoleküls zu steigern. „Es ist sehr schnell, aber nur 2 % der vom Molekül absorbierten Photonen treiben die Rotationsbewegung an.“

Diese geringe Effizienz kann realen Anwendungen schaden. „Außerdem würde uns eine höhere Effizienz eine bessere Kontrolle über die Bewegung ermöglichen“, fügt Sheng hinzu. Die Rotationsbewegung von Feringas molekularem Motor erfolgt in vier Stufen: zwei davon sind photochemisch und zwei temperaturgesteuert. Letztere sind unidirektional, die photochemischen Schritte bewirken jedoch eine Isomerisierung des Moleküls, die im Allgemeinen reversibel ist.

Sheng wollte den Prozentsatz der absorbierten Photonen erhöhen, die die Rotationsbewegung antreiben. „Es ist sehr schwer vorherzusagen, wie dies erreicht werden kann, und am Ende haben wir zufällig eine Methode entdeckt, die funktioniert.“ Als ersten Schritt der weiteren Transformation fügte Sheng dem Motormolekül eine funktionelle Aldehydgruppe hinzu.

„Ich beschloss jedoch, die motorische Funktion dieser Zwischenversion zu testen und stellte fest, dass sie in einer Weise sehr effektiv war, wie wir es noch nie zuvor gesehen hatten.“

Hierzu arbeitete er mit der Molekularphotonik-Gruppe am Van ‘t Hoff-Institut für Molekularwissenschaften der Universität Amsterdam zusammen. Mithilfe fortschrittlicher Laserspektroskopie und quantenchemischer Berechnungen wurden elektronische Zerfallswege kartiert, was detaillierte Einblicke in die Funktionsweise des molekularen Motors liefert.

Darüber hinaus wurde deutlich, dass Sheng durch die Anpassung tatsächlich eine größere Kontrolle über die Rotationsbewegung des Moleküls erhielt. Wie bereits erwähnt, läuft der molekulare Motor in vier diskreten Stufen ab. Sheng erklärt: „Wenn wir früher eine Reihe von Motoren mit Licht bestrahlten, erhielten wir eine Mischung aus Motoren in verschiedenen Phasen des Rotationszyklus. Nach der Modifikation war es möglich, alle Motoren zu synchronisieren und bei jedem Schritt zu steuern. »

Das eröffnet alle möglichen Möglichkeiten. Beispielsweise könnten Motoren als chiraler Dotierstoff in Flüssigkristallen verwendet werden, wobei unterschiedliche Positionen unterschiedliche Reflexionsfarben erzeugen würden. In dem Artikel stellen Sheng und Kollegen ein Beispiel dafür vor. Weitere Anwendungen könnten beispielsweise die Kontrolle der molekularen Selbstorganisation sein.

Das Hinzufügen einer Aldehydgruppe zum Motormolekül hat noch einen weiteren interessanten Effekt: Es verschiebt die Lichtabsorption zu einer längeren Wellenlänge. Da längere Wellenlängen tiefer in lebendes Gewebe oder Massenmaterialien eindringen, bedeutet dies, dass die Motoren in medizinischen Anwendungen und in der Materialwissenschaft viel effizienter arbeiten könnten, da mehr Licht das Motormolekül erreichen würde, das auch Photonen effizienter nutzen würde.

„Eine Reihe unserer Kollegen arbeitet derzeit mit uns an diesem neuen molekularen Motor für verschiedene Anwendungen“, sagt Sheng. Er hofft, dass bald weitere Artikel zu diesem Thema veröffentlicht werden. Gleichzeitig steht das Feringa-Labor vor einer weiteren Herausforderung: „Der molekulare Motor ist jetzt effizienter, aber wir wissen nicht genau, warum die Modifikation diesen Effekt verursacht. Wir arbeiten derzeit daran.“