La nueva generación del motor molecular bajo luz infrarroja. Crédito:Nong Hoang, Universidad de Groningen
Los motores moleculares controlados por luz se pueden utilizar para crear materiales funcionales para proporcionar movimiento autónomo, o en sistemas que pueden responder al comando. Para aplicaciones biológicas, esto requiere que los motores sean impulsados por bajo consumo de energía, Luz de baja intensidad que penetra en los tejidos. Los químicos de la Universidad de Groningen diseñaron un motor giratorio que funciona de manera eficiente con luz infrarroja cercana, mediante la adición de una antena a la molécula del motor. El diseño y la funcionalidad fueron presentados en la revista. Avances de la ciencia el 28 de octubre.
Ben Feringa, Catedrático de Química Orgánica en la Universidad de Groningen, presentó el diseño y la construcción del primer motor molecular rotativo unidireccional impulsado por luz en 1999. En 2016, fue uno de los tres ganadores del Premio Nobel de Química, para el diseño y producción de máquinas moleculares. Sus motores moleculares han evolucionado desde, pero una limitación importante para las aplicaciones ha sido que funcionan con luz ultravioleta. En muchas aplicaciones, La luz ultravioleta puede ser dañina para los materiales circundantes. Los intentos de utilizar fotones del infrarrojo cercano con menos energía para alimentar estos motores no han tenido éxito hasta ahora.
Energía
La adaptación de la molécula motora para aceptar directamente dos fotones de baja energía en lugar de uno de alta energía no ha tenido éxito. Es por eso que los científicos del laboratorio de Feringa ahora probaron un enfoque diferente. A través de un enlace covalente, la molécula motora estaba conectada a una antena que puede absorber dos fotones del infrarrojo cercano. La excitación resultante de la antena se transmite luego a la parte motora de la molécula.
Gran parte de este trabajo fue realizado por Lukas Pfeifer, investigador postdoctoral en el laboratorio Feringa, que ahora trabaja en la Swiss École Polytechnique Fédérale en Lausanne. "Para que el sistema funcione, los niveles de energía de la antena y el motor tenían que ajustarse de cerca, ", explica. Esto significó diseñar una versión del motor molecular que requiere la cantidad exacta de energía que la antena proporciona para el movimiento". Y también se necesitaba un enlazador que permitiera conectar la antena sin interferir en la rotación del motor ".
Los científicos han estado buscando formas de utilizar la luz del infrarrojo cercano en su lugar, pero todos los intentos hasta ahora han sido infructuosos. Investigadores de la Universidad de Groningen ahora diseñaron una antena que absorbe energía de la luz del infrarrojo cercano. Esta antena estaba unida a la molécula motora, donde transmite la energía directamente al eje que impulsa el movimiento del motor. El resultado es una molécula motora que funciona con luz infrarroja cercana, lo que acerca las aplicaciones médicas un paso más. Crédito:Nong Hoang y Lukas Pfeiffer
Sencillo
"Esta es una transferencia directa del estado excitado, muy similar a la forma en que dos cuerdas de una guitarra resuenan cuando se golpea una de ellas, "explica Maxim Pshenichnikov, Profesor de espectroscopia ultrarrápida en la Universidad de Groningen y uno de los autores del Avances de la ciencia papel. La idea parece bastante simple. "Si sabe cómo funciona, se vuelve realmente simple, ", dice Pshenichnikov." Pero el diseño químico ciertamente no fue trivial ".
Una secuencia compleja de eventos que pone en movimiento el motor tiene lugar en un rango muy amplio de tiempos, de picosegundos (10 -12 s) a minutos. Los diferentes regímenes de tiempo fueron estudiados por Pfeifer usando RMN y por Nong Hoang, un doctorado estudiante del grupo de investigación de Pshenichnikov, utilizando espectroscopía ultrarrápida. Primero, la antena captura dos fotones del infrarrojo cercano. A esto le sigue la transferencia de energía que inicia el movimiento del motor. Afortunadamente, el diseño funcionó de manera muy eficiente.
Sueño
"Después de muchos años de diseñar motores moleculares, poder superar la necesidad de luz ultravioleta de alta energía para alimentar estos motores rotativos moleculares es como un sueño hecho realidad, ", dice Ben Feringa." Creo que nuestros resultados representan un hito importante en el diseño de motores moleculares artificiales y ofrecen muchas perspectivas para aplicaciones futuras, que van desde materiales sensibles a sistemas biomoleculares ".
El siguiente paso es simplificar la estructura del complejo motor-antena. Eso permitiría la introducción de funcionalidades adicionales. Una posible aplicación de la nueva molécula motora es funcionar como un disparador para liberar el contenido de una vesícula en un sistema biológico. Pshenichnikov:"Tengo mucha curiosidad por ver cómo se desarrollará la próxima generación de este sistema".
Resumen de ciencia simple
En 1999, Ben Feringa, profesor de química orgánica en la Universidad de Groningen, creó el primer motor molecular impulsado por luz. Estos pequeños motores podrían usarse en todo tipo de aplicaciones de nanotecnología, por ejemplo en la entrega de medicamentos. Sin embargo, funcionan con luz ultravioleta, que puede ser perjudicial. Los científicos han estado buscando formas de utilizar la luz del infrarrojo cercano en su lugar, pero todos los intentos hasta ahora han sido infructuosos. Investigadores de la Universidad de Groningen ahora diseñaron una antena que absorbe energía de la luz del infrarrojo cercano. Esta antena estaba unida a la molécula motora, donde transmite la energía directamente al eje que impulsa el movimiento del motor. El resultado es una molécula motora que funciona con luz infrarroja cercana, lo que acerca las aplicaciones médicas un paso más.
