Molekulární motory jsou molekulární stroje schopné rotace, když je na ně aplikována energie. Tradičně se termín „molekulární motor“ používá, pokud jde o organické proteinové sloučeniny , ale v současnosti se také používá k označení anorganických molekulárních motorů [1] a používá se jako obecný pojem. Možnost vytvořit molekulární motory poprvé vyslovil Richard Feynman v roce 1959 .
Hlavním rysem molekulárních rotorů jsou opakující se jednosměrné rotační pohyby, ke kterým dochází při aplikaci energie. V budoucnu byl tento směr vyvinut díky dvěma vědeckým zprávám publikovaným v roce 1999 , které popisují povahu molekulárních rotorů. Zprávy však neuvedly důvody, kvůli kterým byly molekuly schopny generovat točivý moment. Očekává se, že v blízké budoucnosti bude v této oblasti provedeno značné množství výzkumu a dojde k porozumění chemii a fyzice nanometrových rotorů.
Poprvé o vytvoření molekulárního rotačního motoru informoval Ross Kelly ve své práci v roce 1999 [2] . Jeho systém se skládal ze tří tryptických rotorů a chelicinové části a byl schopen provádět jednosměrné rotace v rovině 120°.
Rotace probíhá v 5 stupních. Nejprve se aminová skupina na trypticinové části molekuly převede na isokyanidovou skupinu kondenzací molekul fosgenu (a). Rotace kolem centrální osy se provádí v důsledku průchodu isokyanové skupiny v těsné blízkosti hydroxylové skupiny umístěné na helicinové části molekuly (b), díky čemuž tyto dvě skupiny spolu reagují (c). Tato reakce vytváří past pro uretanovou skupinu , která zvyšuje její napětí a zajišťuje zahájení rotačního pohybu s dostatečnou úrovní příchozí tepelné energie. Po uvedení molekulárního rotoru do pohybu je následně potřeba pouze malé množství energie k provedení rotačního cyklu (d). Nakonec odštěpení urethanové skupiny obnoví aminovou skupinu a poskytne další funkčnost molekule (e).
Výsledkem této reakce je jednosměrná rotace trypticinové části vzhledem k chelicinové části o 120° . Dodatečnému pohybu vpřed brání chelicinová část molekuly, která plní úlohu podobnou roli ráčny v hodinovém mechanismu. Jednosměrný pohyb je důsledkem asymetrie chelicinové skupiny a také výskytu uretanové skupiny (c). Otáčení lze provádět pouze ve směru hodinových ručiček, k provedení procesu otáčení v druhém směru (d) je zapotřebí mnohem více energie.
Kellyho motor je dokonalým příkladem toho, jak lze využít chemickou energii k vytvoření jednosměrného rotačního pohybu, což je proces, který připomíná spotřebu ATP (kyselina adenosintrifosforečná) v živých organismech. Tento model však není bez vážných nedostatků: sled událostí, které vedou k otočení o 120°, se neopakuje. Ross Kelly a jeho kolegové proto hledali různé způsoby, jak zajistit, aby se tato sekvence mnohokrát opakovala. Pokusy o dosažení cíle byly neúspěšné a projekt byl uzavřen [3] .
V roce 1999 byla přijata zpráva z laboratoře Dr. Bena Feringy na University of Groningen ( Nizozemsko ) o vytvoření jednosměrného molekulárního rotoru [4] . Jejich 360° molekulární motor se skládá z bischelicinu spojeného dvojnou axiální vazbou a má dvě stereocentra.
Jeden cyklus jednosměrné rotace má 4 fáze. V prvním kroku nízká teplota způsobí endotermickou reakci v trans izomeru (P, P), který jej převede na cis izomer (M, M), kde P je pravotočivá šroubovice a M je levotočivá šroubovice (1 , 2). Při tomto procesu se dvě axiální methylové skupiny převádějí na rovníkové.
Zvýšením teploty na 20 °C se methylové skupiny přemění zpět na exotermické (P, P) cis-axiální skupiny (3). Protože axiální izomery jsou stabilnější než ekvatoriální izomery , proces obrácené rotace není možný. Fotoizomerizace převádí cis izomer (P, P) na trans izomer (M, M), opět za vzniku rovníkových melylových skupin (3, 4). Tepelný proces izomerizace při 60 °C uzavírá 360° rotačního cyklu vzhledem k původní poloze.
Vážnou překážkou realizace této reakce je nízká rychlost rotace, která není srovnatelná ani s biologickými molekulárními rotory existujícími v přírodě. V dnešních nejrychlejších systémech s fluorovými skupinami se polovina tepelné inverze šroubovice molekuly provede za 0,005 sekundy [5] . Tento proces probíhá pomocí Barton-Kelloggovy reakce. Má se za to, že pomalá rotace je značně urychlena více terc -butylovými skupinami , díky nimž je izomer ještě méně stabilní než methylové skupiny . Protože se nestabilita izomerů zvyšuje, inverze šroubovice molekuly se zrychluje.
Funkční principy Feringova molekulárního rotoru byly zahrnuty do prototypu nanorobotu [6] . Prototyp má syntetické helicinové motory s oligo-šasi a 4 uhlíková [ neznámý termín ] kola a očekává se, že bude schopen jízdy na pevné zemi pod kontrolou rastrovacího tunelového mikroskopu . Motor však zatím nepracuje na bázi fullerenových kol, protože snižují fotochemickou reakci částí rotoru.
Analogicky s tradičním elektromotorem lze molekulární motory v nanoměřítku uvést do pohybu rezonančním nebo nerezonančním elektronovým tunelováním [7] . Nanorozměrové rotační stroje založené na těchto principech vyvinul Petr Král a jeho spolupracovníci na University of Illiois v Chicagu [8] .
Jak je znázorněno na pravé straně obrázku, jeden typ motoru má nápravu vytvořenou z uhlíkových nanotrubic, které lze namontovat na ložiska CNT. Motor má tři (šest) lopatky vytvořené na bázi polymerovaného ledu. Lopatky jsou vůči sobě orientovány pod úhlem 120° (60°) a mají délku 2 nm, aby nedocházelo k rezonančnímu tunelování elektronů z lopatek do hřídele (osy). Energie je do systému dodávána přenosem elektronu podél lopatek rezonančním tunelováním. Čepele tvoří molekuly konjugované s fullereny kovalentně vázanými na vrcholu čepelí. V zásadě mohou být takové hybridní molekulární rotory syntetizovány v cykloadičních reakcích.
V rovnoměrném elektrostatickém poli E , orientovaném ve vertikálním směru, se využívá periodického nabíjení a vybíjení lopatky motoru tunelováním elektronů ze dvou neutrálních kovových elektrod. Každý fullerenový přepínač mění znaménko náboje pomocí dvou elektronů z kladného (+ q ) na záporné (− q ) tunelem mezi neutrální elektrodou a fullerenem. Aby se ostří motoru otočilo, elektroda ztratí dva elektrony (v důsledku toho se změní náboj na ní) a lopatka udělá polovinu rotačního cyklu v elektrickém poli E . Druhá polovina rotačního cyklu je podobná (pouze elektroda přijímá dva elektrony). Dochází tak k kontinuální rotaci tří (šesti) lopatek s fullereny. Molekulární motor pohání svůj dipól P , který je uprostřed ortogonální [ neznámý termín ] k elektrickému poli E a vytváří konstantní točivý moment.
Účinnost metody elektronového tunelování je srovnatelná s makroskopickým pohonem elektromotorem, ale může být snížena kvůli hluku a konstrukčním vadám.
| Biologické motory | |
|---|---|
| motorické proteiny | |
| Viz také: Molekulární motory | |