Motoarele moleculare sunt mașini moleculare capabile să se rotească atunci când li se aplică energie. În mod tradițional, termenul „motor molecular” este folosit atunci când vine vorba de compuși proteici organici , dar în prezent este folosit și pentru a se referi la motoarele moleculare anorganice [1] și este folosit ca un concept general. Posibilitatea de a crea motoare moleculare a fost exprimată pentru prima dată de Richard Feynman în 1959 .
Principala caracteristică a rotoarelor moleculare este mișcările de rotație unidirecționale repetitive care apar atunci când se aplică energie. În viitor, această direcție a fost dezvoltată datorită a două rapoarte științifice publicate în 1999 , care descriu natura rotoarelor moleculare. Cu toate acestea, rapoartele nu au indicat motivele pentru care moleculele au putut genera cuplu. Este de așteptat ca în viitorul apropiat să fie efectuată o cantitate semnificativă de cercetări în acest domeniu și să existe o înțelegere a chimiei și fizicii rotoarelor la scară nanometrică.
Pentru prima dată, crearea unui motor de rotație moleculară a fost raportată de Ross Kelly în lucrarea sa din 1999 [2] . Sistemul său consta din trei rotoare triptice și o parte chelicină și era capabil să efectueze rotații unidirecționale într-un plan de 120°.
Rotația are loc în 5 etape. În primul rând, gruparea amină de pe porțiunea tripticină a moleculei este transformată într-o grupare izocianidă prin condensarea moleculelor de fosgen (a). Rotația în jurul axei centrale se efectuează datorită trecerii grupării izocianului în imediata apropiere a grupării hidroxil situată pe partea helicină a moleculei (b), datorită căreia aceste două grupe reacţionează între ele (c). Această reacție creează o capcană pentru grupul de uretan , care îi crește tensiunea și asigură începerea mișcării de rotație cu un nivel suficient de energie termică de intrare. După punerea în mișcare a rotorului molecular, este necesară ulterior doar o cantitate mică de energie pentru a efectua ciclul de rotație (d). În cele din urmă, scindarea grupării uretan restabilește gruparea amină și oferă o funcționalitate suplimentară moleculei (e).
Rezultatul acestei reacții este o rotație unidirecțională de 120° a fragmentului de tripticină în raport cu fragmentul de chelicină . Mișcarea suplimentară înainte este împiedicată de partea chelicină a moleculei, care îndeplinește un rol similar cu cel al unui clichet într-un mecanism de ceas. Mișcarea unidirecțională este rezultatul asimetriei fragmentului de chelicină precum și al apariției grupării uretan (c). Rotația poate fi efectuată numai în sensul acelor de ceasornic, este necesară mult mai multă energie pentru a efectua procesul de rotație în cealaltă direcție (d).
Motorul Kelly este un exemplu perfect al modului în care energia chimică poate fi utilizată pentru a crea mișcare de rotație unidirecțională, un proces care amintește de consumul de ATP (acid adenozin trifosforic) în organismele vii. Cu toate acestea, acest model nu este lipsit de dezavantaje serioase: succesiunea de evenimente care duce la o rotație de 120° nu se repetă. Prin urmare, Ross Kelly și colegii săi au căutat diverse modalități de a se asigura că această secvență se repetă de mai multe ori. Încercările de atingere a scopului au fost nereușite și proiectul a fost închis [3] .
În 1999, a fost primit un raport de la laboratorul Dr. Ben Feringa de la Universitatea din Groningen ( Olanda ) privind crearea unui rotor molecular unidirecțional [4] . Motorul lor molecular de 360° constă din bischelicină legată printr-o legătură axială dublă și având doi stereocentri.
Un ciclu de rotație unidirecțională are 4 etape. În prima etapă, temperatura scăzută determină o reacție endotermă în izomerul trans (P, P), transformându-l în izomerul cis (M, M), unde P este o spirală dreaptă și M este o spirală stânga (1). , 2). În acest proces, două grupări metil axiale sunt transformate în cele ecuatoriale.
Prin ridicarea temperaturii la 20 °C , grupările metil sunt convertite înapoi în grupări exotermale (P, P) cis-axiale (3). Deoarece izomerii axiali sunt mai stabili decât izomerii ecuatoriali , procesul de rotație inversă nu este posibil. Fotoizomerizarea transformă izomerul cis (P, P) în izomerul trans (M, M), din nou cu formarea grupărilor melil ecuatoriale (3, 4). Procesul termic de izomerizare la 60 °C închide 360° din ciclul de rotație în raport cu poziția inițială.
Un obstacol serios în calea implementării acestei reacții este viteza scăzută de rotație, care nici măcar nu este comparabilă cu rotoarele moleculare biologice existente în natură. În cele mai rapide sisteme de astăzi cu grupări de fluor, jumătate din inversarea termică a helixului moleculei se realizează în 0,005 secunde [5] . Acest proces are loc folosind reacția Barton-Kellogg. Se crede că pasul de rotație lentă este foarte accelerat de mai multe grupări tert-butil , care fac izomerul chiar mai puțin stabil decât grupările metil . Deoarece instabilitatea izomerilor crește, inversarea helixului moleculei se accelerează.
Principiile de funcționare ale rotorului molecular al lui Feringa au fost incluse în prototipul nanorobot [6] . Prototipul are motoare de elicină sintetică cu un oligo-șasiu și roți cu 4 carbon [ termen necunoscut ] și este de așteptat să poată rula pe teren solid sub controlul unui microscop de scanare tunel . Cu toate acestea, până acum motorul nu funcționează pe baza roților fullerene , deoarece reduc reacția fotochimică a pieselor rotorului.
Prin analogie cu un motor electric tradițional, motoarele moleculare la scară nanometrică pot fi puse în mișcare prin tunelarea electronilor rezonanți sau nerezonanți [7] . Mașinile rotative la scară nanometrică bazate pe aceste principii au fost dezvoltate de Petr Kral și colaboratorii săi de la Universitatea Illiois din Chicago [8] .
După cum se arată în partea dreaptă a figurii, un tip de motor are o axă formată din nanotuburi de carbon care poate fi montată pe rulmenți CNT. Motorul are trei (șase) lame formate pe bază de gheață polimerizată. Lamele sunt orientate la un unghi de 120° (60°) unele față de altele și au o lungime de 2 nm pentru a preveni tunelarea nerezonantă a electronilor de la lame la arbore (ax). Energia este furnizată sistemului prin transferul unui electron de-a lungul lamelor prin tunelare rezonantă. Lamele formează molecule conjugate cu fulerene legate covalent în partea de sus a lamelor. În principiu, astfel de rotoare moleculare hibride pot fi sintetizate în reacții de cicloadiție.
Într-un câmp electrostatic uniform E , orientat de-a lungul direcției verticale, încărcarea și descărcarea periodică a lamei motorului este utilizată prin tunelarea electronilor de la doi electrozi metalici neutri. Fiecare comutator de fullerenă schimbă semnul sarcinii cu ajutorul a doi electroni din pozitiv (+ q ) în negativ (− q ) printr-un tunel între electrodul neutru și fuleren. Pentru a roti lama motorului, electrodul pierde doi electroni (ca urmare a căror sarcină se schimbă), iar lama face o jumătate de ciclu de rotație în câmpul electric E . Cealaltă jumătate a ciclului de rotație este similară (doar electrodul primește doi electroni). Astfel există o rotație continuă a trei (șase) lame cu fullerene. Motorul molecular își conduce dipolul P , care se află în mijlocul ortogonal [ termen necunoscut ] spre câmpul electric E , generând un cuplu constant.
Eficiența metodei tunelului de electroni este comparabilă cu cea a unui motor electric macroscopic, dar poate fi redusă din cauza zgomotului și a defectelor structurale.
| Motoare biologice | |
|---|---|
| proteine motorii | |
| Vezi și: Motoare moleculare | |