Efficiëntere moleculaire motor maakt meer toepassingen mogelijk

De eerste met licht aangedreven moleculaire motoren zijn 25 jaar geleden ontdekt aan de RUG, en de ontwikkeling hiervan leverde RUG-hoogleraar organische chemie Ben Feringa in 2016 een gedeelde Nobelprijs op. Maar het bleek niet eenvoudig om de motoren echt werk te laten verzetten. Een nieuwe publicatie die op 26 april in Nature Chemistry is verschenen beschrijft een combinatie van verbeteringen die praktische toepassingen dichterbij brengt.

FSE Science Newsroom | René Fransen

Jinyu Sheng, de eerste auteur van het artikel, verbeterde een ‘eerste generatie’ moleculaire motor tijdens zijn promotieonderzoek in de groep van Feringa. Hij werkt inmiddels aan het Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Zijn doel was om de efficiëntie van het motor-molecuul te verbeteren. ‘Dat draait al wel heel snel rond, maar gebruikt slechts 2 procent van alle fotonen die het molecuul absorbeert voor de aandrijving.’

Per ongeluk

Zo’n lage efficiëntie is slecht voor toepassingen van de motoren. ‘Daarnaast zou een hogere efficiëntie ons ook meer controle geven over de rotatie’, vult Sheng aan. De draaibeweging van de moleculaire motor gaat in vier stappen: twee ervan vinden plaats door licht, twee door warmte. Die warmte-stappen gaan één kant op, maar de door licht aangedreven stappen veroorzaken een omkeerbare beweging.

Het eerste doel van Sheng was om het percentage fotonen die het molecuul voor de aandrijving gebruikt te verhogen. ‘Het is lastig te voorspellen hoe je dat moet doen en uiteindelijk ontdekten we min of meer per ongeluk een manier die werkt.’ Sheng bracht een reactieve aldehyde-groep aan in het molecuul, als eerste stap in een verdere aanpassing. ‘Maar ik besloot de motorfunctie van deze tussenstap ook te testen en daaruit bleek dat de efficiëntie veel hoger was dan we ooit hadden gezien.’

Hiervoor werkte hij samen met de Molecular Photonics groep bij het Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam. Met behulp van geavanceerde laserspectroscopie en kwantumchemische berekeningen werd een gedetailleerd inzicht verkregen in de werking van de moleculaire motor.

Draaicyclus

Door de aanpassing bleek Sheng inderdaad meer controle te hebben over de draaibeweging van het molecuul. Zoals gezegd bestaat die beweging uit vier afzonderlijke stappen.  Sheng: ‘Wanneer we een gewoon motor-molecuul beschijnen met licht levert dat een mengsel op van motoren die zich in verschillende fasen van de draaicyclus bevinden. Maar na de aanpassing bleek het mogelijk om alle motor-moleculen in dezelfde fase te zetten.’

Dit levert allerlei nieuwe mogelijkheden op. Je zou de motoren bijvoorbeeld kunnen gebruiken in vloeibare kristallen, waarbij verschillende posities van het molecuul zorgen voor een andere kleur van het kristal. In het Nature Chemistry artikel laten Sheng en zijn collega’s hier een voorbeeld van zien. Een andere mogelijke toepassing is om de zelfassemblage van moleculen te controleren met deze motoren. (artikel gaat verder onder de illustratie)

Toepassingen

En het toevoegen van de aldehyde-groep aan het motor-molecuul had nog een interessant effect: het verschuift de absorptie van licht door het molecuul naar een langere golflengte. Die langere golflengtes dringen gemakkelijker door in levend weefsel en in verschillende materialen. Daarom  zullen de aangepaste motoren efficiënter werken in medische toepassingen en in nieuwe materialen, omdat een groter deel van het licht de moleculaire motoren bereikt, en ze bovendien efficiënter gebruik maken van dat licht.

‘Een aantal collega’s werkt nu aan verschillende toepassingen van deze nieuwe moleculaire motor’, vertelt Sheng. Hij verwacht op niet al te lange termijn een flink aantal nieuwe publicaties hierover. Ondertussen buigt het Feringa lab zich over een nieuwe uitdaging: ‘De moleculaire motor is nu veel efficiënter, maar we weten niet precies waarom de aanpassing dit effect heeft. Daar hopen we ook achter te komen!’

Referentie: Jinyu Sheng et al., Formylation boosts the performance of light-driven overcrowded alkene-derived rotary molecular motors , Nature Chemistry, 26 april 2024.