Motores moleculares movidos a luz existem há mais de 20 anos. Esses motores normalmente levam de microssegundos a nanossegundos para uma revolução. Thomas Jansen, professor associado de física da Universidade de Groningen, e a aluna de mestre Atreya Majumdar agora projetaram um motor molecular ainda mais rápido. O novo design é impulsionado apenas pela luz e pode dar uma volta completa em picossegundos usando a potência de um único fóton. Jansen diz, "Desenvolvemos um novo design out-of-the-box para uma molécula de motor que é muito mais rápida." O design foi publicado em The Journal of Physical Chemistry Letters em 7 de junho.

O novo desenho da molécula do motor começou com um projeto no qual Jansen queria entender a paisagem energética dos cromóforos excitados. "Esses cromóforos podem se atrair ou repelir. Eu me perguntei se poderíamos usar isso para fazê-los fazer algo, "explica Jansen. Ele deu o projeto para Atreya Majumdar, em seguida, estudante do primeiro ano do programa de mestrado em Nanociência em Groningen. Majumdar simulou a interação entre dois cromóforos que foram conectados para formar uma única molécula.

Luz

Majumdar, que agora é um Ph.D. estudante de nanociência na Université Paris-Saclay na França, diz, "Um único fóton excitará ambos os cromóforos simultaneamente, criando dipolos que os fazem se repelirem. "Mas como eles estão grudados, conectado por um eixo de ligação tripla, as duas metades se empurram em torno do eixo. “Durante este movimento, eles começam a se atrair. "Juntos, isso resulta em uma rotação completa, gerado pela energia da luz e pela comunicação eletrostática entre os dois cromóforos.

O motor molecular movido a luz original foi desenvolvido pelo colega de Jansen, Ben Feringa, professor de química orgânica na Universidade de Groningen e ganhador do Prêmio Nobel de Química de 2016. Este motor dá uma volta em quatro etapas. Duas etapas são movidas pela luz e duas são movidas pelo calor. "As etapas de aquecimento são limitantes da taxa, "explica Jansen." A molécula tem que esperar por uma flutuação na energia do calor para conduzi-la para a próxima etapa. "

Gargalos

Por contraste, no novo design, uma rotação é totalmente descendente a partir de um estado de excitação. Devido às leis da dinâmica quântica, um fóton excita ambos os cromóforos simultaneamente, portanto, não há grandes gargalos para limitar a velocidade de rotação, que é, portanto, duas a três ordens de magnitude maior do que os motores clássicos Feringa.

Tudo isso ainda é teórico, com base em cálculos e simulações. “Construir um desses motores não é trivial, "diz Jansen. Os cromóforos são amplamente usados, mas ligeiramente frágeis. Criar um eixo de ligação tripla também não é fácil. Jansen espera que alguém tente construir essa molécula orgânica agora que suas propriedades foram descritas. E não é uma molécula específica que tem essas propriedades, acrescenta Majumdar:"Criamos um guia geral para o projeto desse tipo de motor molecular."

Blueprint

Jansen diz que existem algumas aplicações potenciais:eles podem ser usados ​​para fornecer energia ou mover objetos em nanoescala em uma superfície, ou eles podem ser usados ​​em outras aplicações nanotecnológicas. E a velocidade de rotação está bem acima do processo biofísico médio, portanto, pode ser usado para controlar processos biológicos. Nas simulações, os motores foram presos a uma superfície, mas também irão girar na solução. Jansen diz, "Vai exigir muita engenharia e ajustes para realizar esses motores, mas nosso projeto vai entregar um novo tipo de motor molecular."