Con la ayuda de espectroscopía ultrarrápida y cálculos mecánicos cuánticos, Los investigadores de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich han caracterizado el ciclo de rotación completo de la luz, molécula de motor químico hemitioindigo.

El químico Dr. Henry Dube, encabezando un grupo de investigación Emmy Noether Junior, ha desarrollado una máquina molecular basada en la molécula hemitioíndigo (HTI). Exhibe un movimiento de rotación unidireccional alrededor de un enlace químico específico cuando se expone a la luz. En colaboración con el Prof. Eberhard Riedle de BioMolekulare Optik y la física Regina de Vivie-Riedle, ahora ha resuelto la dinámica de todo el mecanismo de rotación. Los hallazgos aparecen en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense (JACS) .

El hemitioíndigo contiene un doble enlace carbono-carbono central (C =C). Este tipo de vínculo es capaz de sufrir una reversibilidad, cambio estructural dependiente de la luz conocido como fotoisomerización, que normalmente no es direccional. En trabajos anteriores, Dube había demostrado que HTI puede servir como base para un motor molecular cuyo movimiento se puede controlar con precisión. En el motor molecular basado en HTI, una sucesión de pasos de fotoisomerización e inversión térmica de hélice hace que el doble enlace central gire unidireccionalmente a una velocidad de hasta 1 kHz a temperatura ambiente. Si bien la mayoría de los otros motores químicos requieren luz ultravioleta de alta energía para alimentarlos, el motor HTI se puede accionar con luz visible. Esta característica amplía su rango de aplicación y aumenta su potencial de uso en contextos biológicos y médicos.

El equipo ahora ha caracterizado la dinámica de la rotación unidireccional en el motor HTI utilizando una variedad de técnicas espectroscópicas ultrarrápidas para distinguir los estados intermedios en el ciclo de rotación. Al comparar estos resultados con cálculos detallados de la mecánica cuántica de las posibles vías de reacción, pudieron construir un modelo cuantitativo preciso del funcionamiento de esta nanomáquina. Los resultados muestran que la rotación permanece unidireccional incluso a temperatura ambiente, y revelar cómo se puede mejorar de manera más eficaz la tasa de rotación. El ciclo de rotación completo se resuelve en cuatro estados conformacionales y energéticos, y se determinaron por primera vez las probabilidades y tasas de las transiciones entre ellos. Las escalas de tiempo relevantes para estas transiciones varían de picosegundos (10-12 s) a milisegundos (10-3 s). Todos los pasos relevantes fueron monitoreados espectroscópicamente con éxito en las mismas condiciones, es decir, en un rango que abarca nueve órdenes de magnitud.

"Nuestro análisis exhaustivo proporciona una visión funcional sin precedentes del funcionamiento de tales motores moleculares. Ahora tenemos una imagen completa del movimiento de rotación de esta molécula, que podemos aprovechar para desarrollar enfoques novedosos para el diseño de motores que hagan un mejor uso de la energía luminosa y, por lo tanto, sean más eficientes, "dice Dube.