光驅動(dòng)分子馬達已經(jīng)問(wèn)世二十多年了。這些電機通常需要微秒到納秒才能旋轉一圈。格羅寧根大學(xué)物理學(xué)副教授 Thomas Jansen 和碩士生 Atreya Majumdar 現在設計了一種更快的分子馬達。新設計僅由光驅動(dòng)，可以在皮秒內完成一整圈，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)箱即用設計，用于速度更快的運動(dòng)分子。 該設計于6 月 7 日發(fā)表在《物理化學(xué)快報》上。
新的運動(dòng)分子設計始于一個(gè)項目，其中 Jansen 想了解激發(fā)發(fā)色團的能量圖譜。這些發(fā)色團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)項目交給了 Atreya Majumdar，當時(shí)她是格羅寧根納米科學(xué)頂級碩士學(xué)位課程的一年級學(xué)生。Majumdar 模擬了連接形成單個(gè)分子的兩個(gè)發(fā)色團之間的相互作用。
光
Majumdar 現在是法國巴黎薩克雷大學(xué)納米科學(xué)博士生，他解釋了他的發(fā)現，一個(gè)光子會(huì )同時(shí)激發(fā)兩個(gè)發(fā)色團，產(chǎn)生偶極子，使它們相互排斥。但是當它們粘在一起時(shí)，通過(guò)三鍵軸連接，兩半圍繞軸相互推開(kāi)。在這個(gè)運動(dòng)中，它們開(kāi)始相互吸引?？傊?，這導致完全旋轉，由光能和兩個(gè)發(fā)色團之間的靜電通訊產(chǎn)生。
最初的光驅動(dòng)分子馬達是由詹森的同事、格羅寧根大學(xué)有機化學(xué)教授、2016 年諾貝爾化學(xué)獎獲得者 Ben Feringa 開(kāi)發(fā)的。該電機分四步旋轉一圈。兩個(gè)步驟由光驅動(dòng)，兩個(gè)步驟由熱驅動(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，在新設計中，旋轉完全從激發(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，沒(méi)有限制旋轉速度的主要瓶頸，因此比經(jīng)典的“Feringa”電機大兩到三個(gè)數量級。
所有這些仍然是基于計算和模擬的理論。制造其中一臺電機并非易事，Jansen 承認。發(fā)色團被廣泛使用，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，詹森預計有人會(huì )嘗試構建這種有機分子。Majumdar 補充說(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)型的分子馬達的設計制定了通用指南。
藍圖
至于應用，Jansen 能想到的屈指可數。它們可能用于為藥物輸送提供動(dòng)力或在表面上移動(dòng)納米級物體，或者它們可能用于其他納米技術(shù)應用。并且轉速遠高于平均生物物理過(guò)程的轉速，因此可用于控制生物過(guò)程。在模擬中，電機連接到一個(gè)表面，但它們也會(huì )在解決方案中旋轉。Jansen表示，實(shí)現這些電機需要大量的工程和調整，但我們的藍圖將提供一種全新類(lèi)型的分子電機。
