光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)已經(jīng)問(wèn)世二十多年了。這些電機(jī)通常需要微秒到納秒才能旋轉(zhuǎn)一圈。格羅寧根大學(xué)物理學(xué)副教授 Thomas Jansen 和碩士生 Atreya Majumdar 現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一種更快的分子馬達(dá)。新設(shè)計(jì)僅由光驅(qū)動(dòng)，可以在皮秒內(nèi)完成一整圈，使用單個(gè)光子的能量。Jansen表示，我們開(kāi)發(fā)了一種新的開(kāi)箱即用設(shè)計(jì)，用于速度更快的運(yùn)動(dòng)分子。 該設(shè)計(jì)于6 月 7 日發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》上。

新的運(yùn)動(dòng)分子設(shè)計(jì)始于一個(gè)項(xiàng)目，其中 Jansen 想了解激發(fā)發(fā)色團(tuán)的能量圖譜。這些發(fā)色團(tuán)可以相互吸引或排斥。我想知道我們是否可以用它來(lái)讓他們做點(diǎn)什么，詹森解釋說(shuō)。他將這個(gè)項(xiàng)目交給了 Atreya Majumdar，當(dāng)時(shí)她是格羅寧根納米科學(xué)頂級(jí)碩士學(xué)位課程的一年級(jí)學(xué)生。Majumdar 模擬了連接形成單個(gè)分子的兩個(gè)發(fā)色團(tuán)之間的相互作用。

通過(guò)光同時(shí)激發(fā)兩個(gè)發(fā)色團(tuán)，它們通過(guò)偶極相互作用相互排斥。當(dāng)發(fā)色團(tuán)相互結(jié)合時(shí)，它們開(kāi)始圍繞使它們保持在一起的鍵旋轉(zhuǎn)。

光

Majumdar 現(xiàn)在是法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)納米科學(xué)博士生，他解釋了他的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)光子會(huì)同時(shí)激發(fā)兩個(gè)發(fā)色團(tuán)，產(chǎn)生偶極子，使它們相互排斥。但是當(dāng)它們粘在一起時(shí)，通過(guò)三鍵軸連接，兩半圍繞軸相互推開(kāi)。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中，它們開(kāi)始相互吸引?？傊?，這導(dǎo)致完全旋轉(zhuǎn)，由光能和兩個(gè)發(fā)色團(tuán)之間的靜電通訊產(chǎn)生。


最初的光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)是由詹森的同事、格羅寧根大學(xué)有機(jī)化學(xué)教授、2016 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者 Ben Feringa 開(kāi)發(fā)的。該電機(jī)分四步旋轉(zhuǎn)一圈。兩個(gè)步驟由光驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)步驟由熱驅(qū)動(dòng)。加熱步驟是限速的，詹森解釋說(shuō)，分子必須等待熱能的波動(dòng)才能將其推向下一步。



瓶頸

相比之下，在新設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)完全從激發(fā)態(tài)開(kāi)始。由于由于量子動(dòng)力學(xué)定律，一個(gè)光子同時(shí)激發(fā)兩個(gè)發(fā)色團(tuán)，沒(méi)有限制旋轉(zhuǎn)速度的主要瓶頸，因此比經(jīng)典的“Feringa”電機(jī)大兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。

所有這些仍然是基于計(jì)算和模擬的理論。制造其中一臺(tái)電機(jī)并非易事，Jansen 承認(rèn)。發(fā)色團(tuán)被廣泛使用，但有點(diǎn)脆弱。創(chuàng)建三鍵軸也不容易。既然已經(jīng)描述了它的特性，詹森預(yù)計(jì)有人會(huì)嘗試構(gòu)建這種有機(jī)分子。Majumdar 補(bǔ)充說(shuō)，并不是一種特定的分子具有這些特性，我們已經(jīng)為這種類(lèi)型的分子馬達(dá)的設(shè)計(jì)制定了通用指南。



藍(lán)圖

至于應(yīng)用，Jansen 能想到的屈指可數(shù)。它們可能用于為藥物輸送提供動(dòng)力或在表面上移動(dòng)納米級(jí)物體，或者它們可能用于其他納米技術(shù)應(yīng)用。并且轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于平均生物物理過(guò)程的轉(zhuǎn)速，因此可用于控制生物過(guò)程。在模擬中，電機(jī)連接到一個(gè)表面，但它們也會(huì)在解決方案中旋轉(zhuǎn)。Jansen表示，實(shí)現(xiàn)這些電機(jī)需要大量的工程和調(diào)整，但我們的藍(lán)圖將提供一種全新類(lèi)型的分子電機(jī)。