光驅(qū)動分子馬達已經(jīng)問世二十多年了。這些電機通常需要微秒到納秒才能旋轉(zhuǎn)一圈。格羅寧根大學(xué)物理學(xué)副教授 Thomas Jansen 和碩士生 Atreya Majumdar 現(xiàn)在設(shè)計了一種更快的分子馬達。新設(shè)計僅由光驅(qū)動，可以在皮秒內(nèi)完成一整圈，使用單個光子的能量。Jansen表示，我們開發(fā)了一種新的開箱即用設(shè)計，用于速度更快的運動分子。 該設(shè)計于6 月 7 日發(fā)表在《物理化學(xué)快報》上。

新的運動分子設(shè)計始于一個項目，其中 Jansen 想了解激發(fā)發(fā)色團的能量圖譜。這些發(fā)色團可以相互吸引或排斥。我想知道我們是否可以用它來讓他們做點什么，詹森解釋說。他將這個項目交給了 Atreya Majumdar，當(dāng)時她是格羅寧根納米科學(xué)頂級碩士學(xué)位課程的一年級學(xué)生。Majumdar 模擬了連接形成單個分子的兩個發(fā)色團之間的相互作用。

通過光同時激發(fā)兩個發(fā)色團，它們通過偶極相互作用相互排斥。當(dāng)發(fā)色團相互結(jié)合時，它們開始圍繞使它們保持在一起的鍵旋轉(zhuǎn)。

光

Majumdar 現(xiàn)在是法國巴黎薩克雷大學(xué)納米科學(xué)博士生，他解釋了他的發(fā)現(xiàn)，一個光子會同時激發(fā)兩個發(fā)色團，產(chǎn)生偶極子，使它們相互排斥。但是當(dāng)它們粘在一起時，通過三鍵軸連接，兩半圍繞軸相互推開。在這個運動中，它們開始相互吸引?？傊?，這導(dǎo)致完全旋轉(zhuǎn)，由光能和兩個發(fā)色團之間的靜電通訊產(chǎn)生。

最初的光驅(qū)動分子馬達是由詹森的同事、格羅寧根大學(xué)有機化學(xué)教授、2016 年諾貝爾化學(xué)獎獲得者 Ben Feringa 開發(fā)的。該電機分四步旋轉(zhuǎn)一圈。兩個步驟由光驅(qū)動，兩個步驟由熱驅(qū)動。加熱步驟是限速的，詹森解釋說，分子必須等待熱能的波動才能將其推向下一步。

瓶頸

相比之下，在新設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)完全從激發(fā)態(tài)開始。由于由于量子動力學(xué)定律，一個光子同時激發(fā)兩個發(fā)色團，沒有限制旋轉(zhuǎn)速度的主要瓶頸，因此比經(jīng)典的“Feringa”電機大兩到三個數(shù)量級。

所有這些仍然是基于計算和模擬的理論。制造其中一臺電機并非易事，Jansen 承認(rèn)。發(fā)色團被廣泛使用，但有點脆弱。創(chuàng)建三鍵軸也不容易。既然已經(jīng)描述了它的特性，詹森預(yù)計有人會嘗試構(gòu)建這種有機分子。Majumdar 補充說，并不是一種特定的分子具有這些特性，我們已經(jīng)為這種類型的分子馬達的設(shè)計制定了通用指南。

藍圖

至于應(yīng)用，Jansen 能想到的屈指可數(shù)。它們可能用于為藥物輸送提供動力或在表面上移動納米級物體，或者它們可能用于其他納米技術(shù)應(yīng)用。并且轉(zhuǎn)速遠高于平均生物物理過程的轉(zhuǎn)速，因此可用于控制生物過程。在模擬中，電機連接到一個表面，但它們也會在解決方案中旋轉(zhuǎn)。Jansen表示，實現(xiàn)這些電機需要大量的工程和調(diào)整，但我們的藍圖將提供一種全新類型的分子電機。