Искусственный молекулярный двигатель синтезировался командой голландского нобелевского лауреата Бена Феринги из Университета Гронингена, который является соавтором бумаги. Феринга был награжден Нобелевской премией по химии 2016 года вместе с Жан-Пьером Соважем из Университета Страсбурга и сэра Фрейзера Стоддарта из Северо-Западного университета в США для дизайна и синтеза молекулярных машин.«Функциональная работа таких наномашин ясно появляется из их уникальных структурных свойств», пишут авторы в их исследовании. «Чтобы лучше понять и оптимизировать молекулярное оборудование, важно знать их подробную структуру и как эта структура изменяется во время ключевых механических шагов, предпочтительно при условиях, в которых система не встревожена внешними влияниями».Ротационный двигатель, исследованный здесь, открывает большую перспективу для довольно многих заявлений, как первый автор Серджио Домингос от DESY и Института Макса Планка Структуры и Динамики Вопроса (MPSD) объясняет: «Химики все гудящие об этой молекуле и пытаются соединить ее с диапазоном других молекул».
Когда активировано при свете, наномашина работает через последовательные фотохимические и тепловые шаги, заканчивая половину поворота. Второй спусковой механизм тогда принуждает двигатель к завершению полного поворота, возвращаясь к его стартовой позиции.
«Такая активация при свете идеальна, поскольку она обеспечивает неразрушающее, и высоко локализованный означает удаленно активировать двигатель», говорит Домингос. «Это могло использоваться, например, как эффективная двигательная функция, которая может быть объединена с препаратом, установив контроль над его действием и выпустить его в точно целенаправленном месте в теле: активированные светом наркотики будущего. Но также и заявления как активированный светом катализ и передача движения на молекулярном уровне к макроскопическому миру приходят на ум. Для таких заявлений важно понять точную структуру моторной молекулы и как это работает подробно».Атомный состав моторной молекулы был исследован прежде с рентгеном.
Для анализа рентгена молекулы должны были быть выращены в кристаллы сначала. Кристаллы тогда дифрагировали рентген характерным способом, и от получающегося образца дифракции может быть вычислено расположение атомов. «Напротив, Мы исследовали бесплатное плавание, изолированные молекулы в газе», объясняет Шнелл, который работает в Центре Науки Лазера на свободных электронах (CFEL), сотрудничества между DESY, Университетом Гамбурга и Обществом Макса Планка. «Этот способ, которым мы видим молекулу, как это, лишено любых внешних влияний как растворители или крепления».Чтобы определить их структуру, свободно плавающие молекулы должны были быть выставлены резонирующей микроволновой области. «Мы использовали электромагнитное поле, чтобы ориентировать молекулы все в том же самом направлении последовательным способом и затем сделали запись их релаксации, когда область выключена», объясняет Шнелл, который также возглавляет исследовательскую группу в MPSD и является преподавателем для физической химии в Университете Киля. «Это показывает так называемые вращательные константы молекулы, которые в свою очередь дают нам достоверную информацию о ее структурной договоренности».
Этот анализ этой так называемой микроволновой спектроскопии не прямой. В случае моторной молекулы ученые должны были соответствовать больше чем 200 линиям спектра и сравнить их числа с моделированиями от квантовых вычислений химии. «Относительно количества атомов молекулярный двигатель в настоящее время – самая большая молекула, структура которой была решена с микроволновой спектроскопией», объясняет Шнелл.Чтобы пустить в ход молекулы в микроволновой палате, они должны были быть нагреты до 180 градусов Цельсия прежде чем быть охлажденным быстро к минус 271 градус. «Нагревание заставило некоторые двигатели развалиться, ломаясь в оси», сообщает Домингос. «Этот путь мы видели ротор и статор друг независимо от друга, подтверждая их структуры. Это также предоставляет нам некоторый намек о механизме, с помощью которого он разваливается».
Окончательный анализ указывает на некоторые маленькие отклонения от структуры, определенной с рентгеном, где молекулы взаимодействуют друг с другом в кристалле. «Это показывает, что структура двигателя явно затронута его средой», говорит Домингос. Что еще более важно микроволновая техника открывает возможность изучить динамику моторной молекулы. «Теперь, когда мы видим, что молекула как он действительно, мы хотим поймать его в действии», подчеркивает Домингос. Ротор проходит промежуточное состояние, которое длится приблизительно три минуты – достаточно долго, чтобы быть исследованным с микроволновой спектроскопией.
Исследователи уже планируют такие расследования, из которых они надеются узнать подробно, как молекулярный двигатель работает.