_ Motoarele cu cristale moleculare se mișcă ca microbii atunci când sunt expuse la lumină

La prima vedere, motoarele moleculare ale lui Rabih O. Al-Kaysi arată ca viermii microscopici pe care i-ai vedea într-o picătură de apă din iaz. Dar aceste panglici care se zvârcolesc nu sunt vii; sunt dispozitive fabricate din molecule cristalizate care efectuează mișcări coordonate atunci când sunt expuse la lumină. Odată cu dezvoltarea continuă, spun Al-Kaysi și colegii, mașinile lor minuscule ar putea fi folosite de medici ca roboți de livrare a medicamentelor sau proiectate în rețele care direcționează fluxul de apă în jurul submarinelor.

Cercetătorii își vor prezenta rezultatele. astăzi, la reuniunea de primăvară a Societății Americane de Chimie (ACS).

Echipa și-a construit motorul inițial de cristale moleculare în 2021 cu molecule care au permis fotoizomerizarea - mai simplu spus, moleculele individuale din valul motor una dintre moleculele lor. grupuri chimice înainte și înapoi atunci când sunt expuse la lumină, iar mișcarea lor colectivă are ca rezultat mișcarea vizibilă a motorului în sine.

„Primul nostru motor a fost un microfir care s-a îndoit și a fluturat când l-am expus la o combinație de UV. și lumină vizibilă”, spune Al-Kaysi. „Părea un dansator de panglică. Părea viu.”

Moleculele din primul motor al echipei aveau nevoie de mai multe lungimi de undă de lumină (UV și vizibilă) pentru a conduce fotoizomerizarea. Cu toate acestea, Al-Kaysi și colegul Christopher Bardeen au vrut să creeze motoare cu cristale moleculare care au nevoie doar de o singură lungime de undă de lumină pentru a funcționa. Așadar, au sintetizat o bibliotecă de molecule de antracen absorbante de lumină capabile de mișcare neîntreruptă înainte și înapoi - adică fotoizomerizare continuă - cu o singură sursă de lumină.

Cercetătorii sunt în proces de caracterizare. moleculele pe bază de antracen și folosindu-le ca blocuri de construcție pentru a crea mai multe motoare cu cristale moleculare. Menajeria lor activată de lumină include acum frânghii lungi asemănătoare unui șarpe și un păianjen foarte păros care se poate îndoi, sări, răsuci și dansa.

Al-Kaysi, chimist organic la Universitatea de Științe ale Sănătății King Saud bin Abdulaziz și King Abdullah International Medical Research Center, a lucrat cu Bardeen, profesor de chimie la Universitatea din California, Riverside, timp de mai bine de două decenii pe cristale fotomecanice.

Aceste cristale „inteligente” transformă energia pe care o absorb de la lumină la lucru mecanic și sunt de obicei caracterizate ca reversibile termic sau reversibile fotochimic. Cu alte cuvinte, mișcarea inițială a cristalelor ca răspuns la stimulul luminos este inversată cu un al doilea stimul de căldură sau, respectiv, de lumină. Cu toate acestea, un al treilea subset al acestor cristale inteligente primește mai multă atenție din partea chimiștilor precum Al-Kaysi și Bardeen, datorită capacității lor de a susține mișcarea continuă și oscilantă atunci când sunt expuse la o singură sursă de lumină.

Moleculele fotoreactive din Biblioteca lui Al-Kaysi este punctul de plecare pentru realizarea motoarelor cu cristale moleculare. Fiecare dintre molecule conține trei segmente: un segment de antracen, o legătură dublă de carbon și un „grup de cap” personalizabil pe cealaltă parte a legăturii de carbon. Antracenul absoarbe lumina și transmite energia către dubla legătură de carbon, care acționează ca axul moleculei. Apoi, grupul principal determină structura, forma și comportamentul de împachetare a cristalelor a moleculei.

Odată ce moleculele de antracen sunt sintetizate, acestea sunt injectate într-o soluție de săpun unde se împachetează într-un proces numit inginerie cristalină. Aceste aglomerări cristalizate sunt folosite ca „semințe” și sunt plasate într-o altă soluție de săpun cu mai multe molecule de antracen, unde se autoasambla în forme mai mari - de obicei tije și fire.

Unele dintre aceste structuri se autoasamblează în forme și mai complexe care sunt vizibile cu ochiul liber. În timp ce auto-asamblarea motorului este în mare parte aleatorie, cercetătorii caută modalități de a-l dirija prin variarea temperaturii și a gradului de săpun a lichidului și prin agitarea lichidului la viteze diferite.

Când sunt iluminate în soluția lor de săpun. , motoarele afișează mișcare 3D complicată și continuă. Cercetătorii pot regla mișcarea unui motor ajustând intensitatea luminii și lungimea de undă. La nivel molecular, mișcarea este condusă de fotoizomerizare în jurul legăturii duble de carbon, știu cercetătorii. Cu toate acestea, ei încă investighează modul în care moleculele coordonează acest comportament pe întregul motor al cristalului molecular.

În demonstrații, cercetătorii au descoperit că motoarele sunt remarcabil de durabile, nefiind semne de oboseală după ore de expunere la lumină. Și pentru că sunt pe bază de cristale, au o rezistență înnăscută la coroziune și interferențe electromagnetice și oferă un raport greutate-putere „excepțional”. Potrivit cercetătorilor, aceste calități fac ca motoarele cu cristale moleculare să fie deosebit de potrivite pentru aplicații biomedicale, micromașini și microsateliți.

Al-Kaysi și Bardeen spun că, cu ajutorul „atingerii unui inginer”, descoperirile lor științifice de bază au potențialul de a rezolva probleme din lumea reală, cum ar fi mașinile moleculare activate de lumină pentru livrarea medicamentelor și matricele care direcționează fluxul de apă în jurul carenei unei nave.

(Fluierul)