Motor molecular mais eficiente amplia aplicações potenciais
Representação das mudanças estruturais durante a isomerização unidirecional em 4 etapas do motor aldeído de 1ª geração com características principais acima das setas de reação. Começando no canto superior esquerdo, a luz UV induz a fotoisomerização para atingir o estado superior direito com mais de 95% de eficiência. Este estado superior direito se transforma por uma etapa de 'inversão de hélice' térmica unidirecional (THI) para a versão representada no canto inferior direito, completando meio ciclo de rotação. A irradiação UV subsequente levará à formação do estado representado no canto inferior esquerdo (com mais de 80 por cento de eficiência), que pode se transformar no estado inicial do motor por outra etapa unidirecional de THI, finalizando os 360
o
ciclo de rotação. Crédito:J. Sheng et al, Universidade de Groningen Os motores moleculares movidos por luz foram desenvolvidos pela primeira vez há quase 25 anos na Universidade de Groningen, na Holanda. Isto resultou num Prémio Nobel de Química partilhado para o Professor Ben Feringa em 2016. No entanto, fazer com que estes motores funcionassem de verdade revelou-se um desafio. Um novo artigo do laboratório Feringa, publicado na Nature Chemistry em 26 de abril, descreve uma combinação de melhorias que aproxima as aplicações da vida real.
O primeiro autor, Jinyu Sheng, agora pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), adaptou um motor molecular movido a luz de "primeira geração" durante seu doutorado. estudos no laboratório Feringa. Seu foco principal era aumentar a eficiência da molécula motora. “É muito rápido, mas apenas 2% dos fótons que a molécula absorve impulsionam o movimento rotativo”.
Essa baixa eficiência pode atrapalhar as aplicações da vida real. “Além disso, o aumento da eficiência nos daria um melhor controle do movimento”, acrescenta Sheng. O movimento rotativo do motor molecular da Feringa ocorre em quatro etapas:duas delas são fotoquímicas, enquanto duas são acionadas pela temperatura. Estas últimas são unidirecionais, mas as etapas fotoquímicas provocam uma isomerização da molécula que geralmente é reversível.
Sheng decidiu melhorar a porcentagem de fótons absorvidos que impulsionam o movimento rotacional. “É muito difícil prever como isso pode ser feito e, no final, descobrimos acidentalmente um método que funcionou”. Sheng adicionou um grupo funcional aldeído à molécula motora, como um primeiro passo para uma transformação adicional.
“No entanto, decidi testar a função motora desta versão intermediária e descobri que ela é muito eficiente de uma forma que nunca tínhamos visto antes.”
Para isso, ele cooperou com o grupo de Fotônica Molecular do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares da Universidade de Amsterdã. Usando espectroscopia a laser avançada e cálculos químicos quânticos, os caminhos de decaimento eletrônico foram mapeados, fornecendo informações detalhadas sobre o funcionamento do motor molecular. Imagem óptica da molécula motora melhorada em uma célula de cristal líquido. As letras RUG foram geradas pela exposição à luz UV através de uma máscara, que move a molécula para uma posição que confere cor verde ao cristal líquido. A área mascarada não apresenta alteração de cor, embora o lado direito seja um pouco verde devido a irregularidades na espessura da célula. Crédito:J. Sheng et al, Universidade de Groningen/Nature Chemistry Além disso, ficou claro que a adaptação realmente deu a Sheng um melhor controle do movimento rotativo da molécula. Como mencionado anteriormente, o motor molecular gira em quatro etapas discretas. Sheng diz:"Anteriormente, se irradiarmos um lote de motores com luz, obteríamos uma mistura de motores em diferentes estágios do ciclo de rotação. Após a modificação, foi possível sincronizar todos os motores e controlá-los em cada estágio."
Isso abre todos os tipos de possibilidades. Por exemplo, os motores poderiam ser usados como dopantes quirais em cristais líquidos, onde as diferentes posições criariam diferentes cores de reflexão. No artigo, Sheng e seus colegas apresentam um exemplo disso. Outras aplicações poderiam, por exemplo, ser o controle da automontagem molecular.
A adição de um grupo aldeído à molécula motora também tem outro efeito interessante:desloca a absorção da luz para um comprimento de onda mais longo. Uma vez que comprimentos de onda mais longos penetram mais profundamente nos tecidos vivos ou no material a granel, isto significa que os motores poderiam funcionar de forma muito mais eficiente em aplicações médicas e na ciência dos materiais, porque mais luz alcançará a molécula motora, ao mesmo tempo que utilizará os fotões de forma mais eficiente.
“Vários colegas nossos estão agora trabalhando conosco neste novo motor molecular para diferentes aplicações”, diz Sheng. Ele espera mais artigos sobre este tema em um futuro próximo. Enquanto isso, há outro desafio para o laboratório Feringa:“O motor molecular agora é mais eficiente, mas não sabemos exatamente por que a modificação causa esse efeito.
Mais informações: Jinyu Sheng et al., Formylation aumenta o desempenho de motores moleculares rotativos superlotados derivados de alceno, acionados por luz, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01521-0 Informações do diário: Química da Natureza
