Motory molekularne oparte na szkielecie sterycznie zatłoczonych alkenów to syntetyczne maszyny, które – napędzane energią światła – wykonują kontrolowane, jednokierunkowe obroty jednej części cząsteczki względem drugiej. Dr inż. Wojciech Danowski z Wydziału Chemii UW jest współautorem publikacji opisującej, jak znacząco zwiększyć wydajność pracy tych nanoskopowych motorów, zbliżając się do teoretycznego maksimum. Praca ukazała się na łamach czasopisma „Nature Chemistry”.

Biologiczne maszyny molekularne, takie jak białka motoryczne (kinezyny i dyneiny), odpowiedzialne są za niemal wszystkie aspekty metabolizmu organizmów żywych. Motory molekularne oparte na szkielecie sterycznie zatłoczonej olefiny zostały po raz pierwszy opracowane przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii z 2016 roku, prof. Bena L. Feringę z Uniwersytetu w Groningen. Pełny obrót o 360 stopni wykonywany przez te cząsteczki przebiega w czterech kontrolowanych, naprzemiennych etapach: dwóch fotochemicznych izomeryzacji wiązania podwójnego oraz dwóch termicznych izomeryzacji.

– To właśnie etap fotochemiczny limituje wykorzystanie energii fotonów, a więc wydajność pracy tych motorów. Pracę tych molekuł ilościowo opisuje parametr „wydajności kwantowej”, czyli stosunek fotonów, które zostały wykorzystane do fotochemicznej izomeryzacji wiązania podwójnego, do wszystkich zaabsorbowanych fotonów. Mimo że maszyny te zostały opracowane niemal dwadzieścia pięć lat temu, dotychczasowe wysiłki mające na celu zwiększenie wydajności wykorzystania energii świetlnej nie przynosiły oczekiwanych rezultatów – tłumaczy dr inż. Wojciech Danowski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.

Prześcignąć naturę

Dr Danowski we współpracy z grupami badawczymi prof. Bena L. Feringi, prof. Wybrena J. Buma i prof. Wesley’a R. Browne (Niderlandy) oraz dr. Stefano Crespi (Szwecja) opracował prostą modyfikację rdzenia motorów molekularnych, prowadzącą do skokowego zwiększenia wykorzystania światła przez motory molekularne. Badacze wykazali, że przyłączenie grupy formylowej do aromatycznego rdzenia motoru zwiększa wydajność fotochemicznej izomeryzacji do 80%, jednocześnie minimalizując udział procesów ubocznych. Taka rekordowa wartość wydajności kwantowej jest szczególnie imponująca w porównaniu do wydajności kwantowej izomeryzacji rodopsyny (67%) – białka, które organizmy żywe wyewoluowały w celu jak najczulszej detekcji światła, jednocześnie stanowiącej rekord wydajności kwantowej izomeryzacji wiązania podwójnego. Poza zwiększeniem wydajności kwantowej modyfikacja ta prowadzi do batochromowego przesunięcia pasm absorpcji motoru, co czyni tak zmodyfikowane motory atrakcyjnymi chiralnymi i światłoczułymi domieszkami do faz ciekłokrystalicznych.

– Nasze badania pokazują, że syntetyczne maszyny molekularne mają w zasadzie nieograniczony potencjał, większy niż ich biologiczne pierwowzory. Dzięki chemii syntetycznej nie jesteśmy ograniczeni tylko do naśladowania natury, ale możemy ją także prześcignąć. Mimo że wyniki tych badań są niezwykle ekscytujące, wciąż pozostało nam wiele pracy – mówi dr Danowski.