A molekuláris motorok olyan molekuláris gépek , amelyek képesek forogni, amikor energiát alkalmaznak rájuk. Hagyományosan a "molekuláris motor" kifejezést a szerves fehérjevegyületekre használják , de jelenleg a szervetlen molekuláris motorokra is használják [1] , és általános fogalomként használják. A molekuláris motorok létrehozásának lehetőségét először Richard Feynman hangoztatta 1959 -ben .
A molekuláris rotorok fő jellemzője az ismétlődő egyirányú forgási mozgások, amelyek energia alkalmazásakor lépnek fel. A jövőben ez az irány két, 1999 -ben publikált tudományos jelentésnek köszönhetően alakult ki , amelyek a molekuláris rotorok természetét írják le. A jelentések azonban nem közölték azokat az okokat, amelyek miatt a molekulák nyomatékot tudtak generálni. Várhatóan a közeljövőben jelentős mennyiségű kutatás fog folyni ezen a területen, és a nanoméretű rotorok kémiája és fizikája is megérthető lesz.
A molekulaforgató motor létrehozásáról először Ross Kelly számolt be 1999 -es munkájában [2] . Rendszere három triptikus rotorból és egy chelicin részből állt, és képes volt 120°-os síkban egyirányú forgatást végrehajtani.
A forgatás 5 szakaszban történik. Először is, a molekula tripticin részének amincsoportja izocianidcsoporttá alakul a foszgénmolekulák kondenzációjával (a). A központi tengely körüli forgás az izociáncsoportnak a molekula helicin részén található hidroxilcsoport közvetlen közelében való áthaladása miatt történik (b), aminek következtében ez a két csoport reagál egymással (c). Ez a reakció egy csapdát hoz létre az uretáncsoport számára , amely növeli annak feszültségét, és biztosítja a forgómozgás megkezdését megfelelő mennyiségű bejövő hőenergia mellett. A molekuláris rotor mozgásba hozása után csak kis mennyiségű energiára van szükség a forgási ciklus (d) végrehajtásához. Végül az uretáncsoport hasítása visszaállítja az amincsoportot, és további funkcionalitást biztosít az (e) molekulának.
Ennek a reakciónak az eredménye a tripticin-rész 120°-os egyirányú elforgatása a chelicin- részhez képest . A további előremozgást megakadályozza a molekula chelicin része , amely az óramechanizmusban a racsnihoz hasonló szerepet tölt be. Az egyirányú mozgás a chelicin rész aszimmetriájának, valamint az uretáncsoport (c) megjelenésének az eredménye. A forgatás csak az óramutató járásával megegyező irányban hajtható végre, a másik irányú forgási folyamat végrehajtásához sokkal több energia szükséges (d).
A Kelly motor tökéletes példája annak, hogyan lehet kémiai energiát felhasználni egyirányú forgómozgás létrehozására, amely folyamat az ATP (adenozin-trifoszforsav) élő szervezetek fogyasztására emlékeztet. Ez a modell azonban nem mentes komoly hátrányoktól: a 120°-os elforgatáshoz vezető eseménysor nem ismétlődik. Ezért Ross Kelly és kollégái különféle módokat kerestek annak biztosítására, hogy ezt a sorozatot sokszor megismételjék. A cél elérésére tett kísérletek nem jártak sikerrel, a projektet lezárták [3] .
1999 -ben jelentés érkezett Dr. Ben Feringa laboratóriumától a Groningeni Egyetemen ( Hollandia ) egy egyirányú molekuláris rotor létrehozásáról [4] . 360°-os molekulamotorjuk kettős axiális kötéssel összekapcsolt bischelicinből áll, és két sztereocentruma van.
Egy egyirányú forgási ciklus 4 szakaszból áll. Első lépésben az alacsony hőmérséklet endoterm reakciót vált ki a transz-izomerben (P, P), cisz-izomerré alakítva azt (M, M), ahol P egy jobb oldali hélix, M pedig egy balkezes hélix (1 , 2). Ebben a folyamatban két axiális metilcsoport ekvatoriális csoportokká alakul.
A hőmérséklet 20 °C -ra emelésével a metilcsoportok visszaalakulnak exoterm (P, P) cisz-axiális csoportokká (3). Mivel az axiális izomerek stabilabbak, mint az ekvatoriális izomerek , a fordított forgási folyamat nem lehetséges. A fotoizomerizáció a cisz-izomert (P, P) transz-izomerré (M, M) alakítja, ismét ekvatoriális melyl csoportok képződésével (3, 4). Az izomerizáció termikus folyamata 60 °C-on a forgási ciklus 360°-át lezárja az eredeti helyzethez képest.
E reakció megvalósításának komoly akadálya az alacsony forgási sebesség, amely még a természetben létező biológiai molekuláris rotorokhoz sem hasonlítható. Napjaink leggyorsabb fluorcsoportos rendszereiben a molekula hélixének termikus inverziójának fele 0,005 másodperc alatt megy végbe [5] . Ez a folyamat a Barton-Kellogg reakció segítségével megy végbe. Úgy gondolják, hogy a lassú forgási emelkedést nagymértékben felgyorsítja több terc - butil-csoport , amelyek az izomert még kevésbé stabillá teszik, mint a metilcsoportok . Mivel az izomerek instabilitása növekszik, a molekula hélixének inverziója felgyorsul.
A Feringa-féle molekuláris rotor működési elvei bekerültek a nanorobot prototípusába [6] . A prototípus szintetikus helicin motorokat tartalmaz oligovázzal és 4 karbon [ ismeretlen kifejezés ] kerékkel, és várhatóan szilárd talajon is képes lesz haladni egy pásztázó alagútmikroszkóp irányítása alatt . A motor azonban egyelőre nem fullerén kerekek alapján működik, mert ezek csökkentik a forgórészek fotokémiai reakcióját.
A hagyományos elektromos motorokhoz hasonlóan a nanoméretű molekuláris motorok rezonáns vagy nem rezonáns elektronalagúttal indíthatók [7] . Az ezen elveken alapuló nanoméretű forgógépeket Petr Kral és munkatársai fejlesztették ki a Chicagói Illiois Egyetemen [8] .
Amint az ábra jobb oldalán látható, az egyik motortípusnak van egy szén nanocsövekből kialakított tengelye, amely CNT csapágyakra szerelhető. A motor három (hat) lapáttal rendelkezik, amelyek polimerizált jégből készültek. A lapátok egymással szemben 120°-os (60°-os) szöget zárnak be, és 2 nm hosszúak, hogy megakadályozzák az elektronok nem rezonáns alagútvezetését a lapátokról a tengelyre (tengelyre). Az energiát a rendszer a pengék mentén egy elektron átvitelével, rezonáns alagúttal juttatja el. A pengék a pengék tetején kovalens kötéssel kötött fullerénekkel konjugált molekulákat alkotnak. Elvileg az ilyen hibrid molekuláris rotorok cikloaddíciós reakciókban szintetizálhatók.
Egyenletes E elektrosztatikus térben , függőleges irányban, a motor lapátjának periodikus feltöltését és kisülését két semleges fémelektródáról elektronok alagútvezetésével használják. Minden fullerén kapcsoló két elektron segítségével pozitívból (+ q ) negatívba (- q ) változtatja a töltés előjelét a semleges elektród és a fullerén közötti alagúton keresztül. A motorlapát forgatásához az elektróda két elektront veszít (aminek következtében a töltés megváltozik), és a penge fél forgási ciklust végez az E elektromos térben . A forgási ciklus másik fele hasonló (csak az elektróda kap két elektront). Így három (hat) penge folyamatosan forog fullerénekkel. A molekulamotor a középső merőlegesben lévő P dipólját az E elektromos tér felé hajtja, állandó nyomatékot generálva .
Az elektronalagút módszer hatékonysága a makroszkopikus villanymotoros hajtáséhoz hasonlítható, de a zaj és szerkezeti hibák miatt csökkenthető.
| Biológiai motorok | |
|---|---|
| motoros fehérjék | |
| Lásd még: Molekuláris motorok | |