Molekylära motorer är molekylära maskiner som kan rotera när energi appliceras på dem. Traditionellt används termen "molekylär motor" när det kommer till organiska proteinföreningar , men för närvarande används det också för att hänvisa till oorganiska molekylära motorer [1] och används som ett allmänt begrepp. Möjligheten att skapa molekylära motorer uttrycktes först av Richard Feynman 1959 .
Huvuddragen hos molekylära rotorer är de upprepade enkelriktade rotationsrörelserna som uppstår när energi appliceras. I framtiden utvecklades denna riktning på grund av två vetenskapliga rapporter publicerade 1999 , som beskriver naturen hos molekylära rotorer. Rapporterna angav dock inte orsakerna till vilka molekylerna kunde generera vridmoment. Det förväntas att inom en snar framtid en betydande mängd forskning kommer att utföras inom detta område och det kommer att finnas en förståelse för kemi och fysik hos rotorer i nanoskala.
För första gången rapporterades skapandet av en molekylär rotationsmotor av Ross Kelly i hans arbete 1999 [2] . Hans system bestod av tre tryptiska rotorer och en chelicindel och kunde utföra enkelriktade rotationer i ett 120°-plan.
Rotationen sker i 5 steg. Först omvandlas amingruppen på trypticindelen av molekylen till en isocyanidgrupp genom kondensation av fosgenmolekyler (a). Rotation runt den centrala axeln utförs på grund av passagen av isocyangruppen i omedelbar närhet av hydroxylgruppen belägen på helicindelen av molekylen (b), på grund av vilken dessa två grupper reagerar med varandra (c). Denna reaktion skapar en fälla för uretangruppen , vilket ökar dess spänning och säkerställer starten av rotationsrörelsen med en tillräcklig nivå av inkommande termisk energi. Efter att ha fört molekylrotorn i rörelse krävs därefter endast en liten mängd energi för att utföra rotationscykeln (d). Slutligen återställer klyvning av uretangruppen amingruppen och ger ytterligare funktionalitet till molekylen (e).
Resultatet av denna reaktion är en 120° enkelriktad rotation av trypticindelen med avseende på chelicindelen . Ytterligare framåtrörelse förhindras av chelicindelen av molekylen, som utför en roll som liknar en spärrhake i en klockmekanism. Den enkelriktade rörelsen är resultatet av asymmetrin hos chelicindelen såväl som utseendet av uretangruppen (c). Rotation kan endast utföras i medurs riktning, mycket mer energi krävs för att utföra rotationsprocessen i den andra riktningen (d).
Kelly-motorn är ett perfekt exempel på hur kemisk energi kan användas för att skapa enkelriktad rotationsrörelse, en process som påminner om konsumtionen av ATP (adenosintrifosforsyra) i levande organismer. Denna modell är dock inte utan allvarliga nackdelar: händelseförloppet som leder till en rotation på 120° upprepas inte. Därför letade Ross Kelly och hans kollegor efter olika sätt att säkerställa att denna sekvens upprepas många gånger. Försöken att uppnå målet misslyckades och projektet avslutades [3] .
1999 mottogs en rapport från laboratoriet av Dr Ben Feringa vid University of Groningen ( Nederländerna ) om skapandet av en enkelriktad molekylär rotor [4] . Deras 360° molekylära motor består av bischelicin länkad med en dubbel axiell bindning och har två stereocenter.
En cykel av enkelriktad rotation tar 4 steg. I det första steget orsakar låg temperatur en endoterm reaktion i trans-isomeren (P, P) som omvandlar den till cis-isomeren (M, M), där P är en högerhänt helix och M är en vänsterhänt helix (1) , 2). I denna process omvandlas två axiella metylgrupper till ekvatoriska.
Genom att höja temperaturen till 20 °C omvandlas metylgrupperna tillbaka till exotermiska (P, P) cis-axiella grupper (3). Eftersom axiella isomerer är mer stabila än ekvatorialisomerer , är den omvända rotationsprocessen inte möjlig. Fotoisomerisering omvandlar cis-isomeren (P, P) till trans-isomeren (M, M), återigen med bildning av ekvatorialmelylgrupper ( 3, 4). Den termiska isomeriseringsprocessen vid 60 °C stänger 360 ° av rotationscykeln i förhållande till den ursprungliga positionen.
Ett allvarligt hinder för genomförandet av denna reaktion är den låga rotationshastigheten, som inte ens är jämförbar med biologiska molekylära rotorer som finns i naturen. I dagens snabbaste system med fluorgrupper utförs hälften av den termiska inversionen av molekylens helix på 0,005 sekunder [5] . Denna process sker med hjälp av Barton-Kellogg-reaktionen. Den långsamma rotationsstigningen tros accelereras kraftigt av fler tert -butylgrupper , vilket gör isomeren ännu mindre stabil än metylgrupperna . Eftersom isomerernas instabilitet ökar, accelererar inversionen av molekylens helix.
Funktionsprinciperna för Feringas molekylära rotor ingick i nanorobotprototypen [6] . Prototypen har syntetiska helicinmotorer med ett oligo-chassi och 4 kolhjul [ okänd term ] och förväntas kunna köra på fast mark under kontroll av ett avsökningstunnelmikroskop . Men än så länge fungerar inte motorn på basis av fullerenhjul , eftersom de minskar den fotokemiska reaktionen hos rotordelarna.
I analogi med en traditionell elmotor kan molekylära motorer i nanoskala sättas i rörelse genom resonant eller icke-resonant elektrontunnling [7] . Nanoskala roterande maskiner baserade på dessa principer utvecklades av Petr Kral och hans medarbetare vid University of Illiois i Chicago [8] .
Som visas till höger i figuren har en motortyp en axel som är gjord av kolnanorör som kan monteras på CNT-lager. Motorn har tre (sex) blad bildade på basis av polymeriserat is. Bladen är orienterade i en vinkel på 120° (60°) mot varandra och har en längd på 2 nm för att förhindra icke-resonant tunnling av elektroner från bladen till axeln (axeln). Energi tillförs systemet genom överföring av en elektron längs bladen genom resonant tunnling. Bladen bildar molekyler konjugerade med fullerener kovalent bundna i toppen av bladen. I princip kan sådana hybridmolekylära rotorer syntetiseras i cykloadditionsreaktioner.
I ett enhetligt elektrostatiskt fält E , orienterat längs den vertikala riktningen, används periodisk laddning och urladdning av motorbladet genom att tunnla elektroner från två neutrala metallelektroder. Varje fullerenomkopplare ändrar laddningens tecken med hjälp av två elektroner från positiv (+ q ) till negativ (− q ) genom en tunnel mellan den neutrala elektroden och fullerenen. För att rotera motorbladet förlorar elektroden två elektroner (som ett resultat av vilket laddningen på den ändras), och bladet gör en halv rotationscykel i det elektriska fältet E . Den andra halvan av rotationscykeln är liknande (endast elektroden tar emot två elektroner). Det är alltså en kontinuerlig rotation av tre (sex) blad med fullerener. Molekylmotorn driver sin dipol P , som är i mitten ortogonal [ okänd term ] mot det elektriska fältet E , vilket genererar ett konstant vridmoment.
Effektiviteten hos elektrontunnelmetoden är jämförbar med den för en makroskopisk elmotordrift, men den kan reduceras på grund av brus och strukturella defekter.
| Biologiska motorer | |
|---|---|
| motorproteiner | |
| Se även: Molekylära motorer | |