Молекулярно-кристаллические двигатели под воздействием света перемещаются, как микробы

На первый взгляд молекулярные двигатели Рабиха О. Аль-Кайси похожи на микроскопических червей, которых можно увидеть в капле прудовой воды. Но эти извивающиеся ленты не живые; это устройства, состоящие из кристаллизованных молекул, которые совершают скоординированные движения под воздействием света. 

По словам Аль-Кайси и его коллег, при дальнейшем развитии их крошечные машины могут быть использованы врачами в качестве роботов для доставки лекарств или встроены в массивы, которые направляют поток воды вокруг подводных лодок. Исследователи представили свои результаты на весеннем собрании Американского химического общества (ACS).

В 2021 году команда построила свой первоначальный молекулярно-кристаллический двигатель с молекулами, которые обеспечивают фотоизомеризацию — проще говоря, отдельные молекулы в двигателе совершают колебания одной из своих химических групп взад и вперед под воздействием света, и их коллективное движение приводит к видимому движению двигателя. сам.

«Нашим первым двигателем был микропровод, который гнулся и трепетал, когда я подвергал его воздействию ультрафиолетового и видимого света», — говорит Аль-Кайси. «Он был похож на танцора с лентой. Он выглядел живым».

Молекулам в первом двигателе команды потребовалось несколько длин волн света (УФ и видимый), чтобы вызвать фотоизомеризацию. Однако Аль-Кайси и его коллега Кристофер Бардин хотели создать молекулярно-кристаллические двигатели, для работы которых требовалась бы только одна длина волны света. Итак, они синтезировали библиотеку светопоглощающих молекул антрацена, способных к безостановочному возвратно-поступательному движению, то есть к непрерывной фотоизомеризации, с помощью одного источника света.

Исследователи находятся в процессе определения характеристик молекул на основе антрацена и использования их в качестве строительных блоков для создания большего количества молекулярных кристаллических двигателей. В их активируемый светом зверинец теперь входят длинные змееподобные веревки и один очень волосатый паук, который может сгибаться, прыгать, извиваться и танцевать.

Эти «умные» кристаллы преобразуют поглощаемую ими энергию света в механическую работу и обычно характеризуются как термически обратимые или фотохимически обратимые. Другими словами, первоначальное движение кристаллов в ответ на световой стимул меняется на противоположное при втором стимуле тепла или света соответственно. Однако третья группа этих умных кристаллов привлекает больше внимания таких химиков, как Аль-Кайси и Бардин, из-за их способности поддерживать непрерывное колебательное движение при воздействии одного источника света.

Фотореактивные молекулы в библиотеке Аль-Кайси являются отправной точкой для создания молекулярно-кристаллических двигателей. Каждая из молекул содержит три сегмента: антраценовый сегмент, двойную углеродную связь и настраиваемую «головную группу» на другой стороне углеродной связи. Антрацен поглощает свет и передает энергию двойной связи углерода, которая действует как ось молекулы. Затем головная группа определяет структуру, форму и поведение кристаллической упаковки молекулы.

После синтеза молекул антрацена их вводят в мыльный раствор, где они упаковываются вместе в процессе, называемом инженерией кристаллов. Эти кристаллизованные комки используются как «семена» и помещаются в другой мыльный раствор с большим количеством молекул антрацена, где они самособираются в более крупные формы — обычно стержни и проволоки.

Некоторые из этих структур самособираются в еще более сложные формы, видимые невооруженным глазом. Хотя самосборка двигателя в основном происходит случайным образом, исследователи ищут способы управлять ею, изменяя температуру и мыльность жидкости, а также перемешивая жидкость на разных скоростях.

При освещении мыльным раствором двигатели демонстрируют сложное и непрерывное трехмерное движение. Исследователи могут настроить движение мотора, регулируя интенсивность и длину волны света. Исследователи знают, что на молекулярном уровне движение обусловлено фотоизомеризацией двойной связи углерода. Однако они все еще исследуют, как молекулы координируют такое поведение по всему молекулярно-кристаллическому мотору.

В ходе демонстраций исследователи обнаружили, что двигатели удивительно долговечны и не проявляют признаков усталости после нескольких часов воздействия света. А поскольку они изготовлены на основе кристаллов, они обладают врожденной устойчивостью к коррозии и электромагнитным помехам и предлагают «исключительное» соотношение веса и мощности. По мнению исследователей, эти качества делают молекулярно-кристаллические двигатели особенно подходящими для биомедицинских применений, микромашин и микроспутников.

Аль-Кайси и Бардин говорят, что с помощью «инженерного подхода» их фундаментальные научные открытия могут решить реальные проблемы, например, активируемые светом молекулярные машины для доставки лекарств и массивы, которые направляют поток воды вокруг объекта.