Исследователи представят свои результаты сегодня на весеннем собрании Американского химического общества (ACS). ACS Spring 2024 - это гибридная конференция, которая проводится виртуально и очно 17-21 марта; на ней представлено около 12 000 презентаций по целому ряду научных тем.

Команда построила свой первый молекулярно-кристаллический двигатель в 2021 году с молекулами, которые обеспечивали фотоизомеризацию - проще говоря, отдельные молекулы в двигателе перемещают одну из своих химических групп взад и вперед под воздействием света, и их коллективное движение приводит к видимому движению самого двигателя. "Нашим первым двигателем была микропроволока, которая изгибалась и трепетала, когда я облучал ее комбинацией ультрафиолетового и видимого света", - говорит Аль-Кайси. "Это было похоже на танцора с лентой. Это выглядело как живое!"

Молекулам в первом двигателе команды требовалось несколько длин волн света (УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ и видимая) для осуществления фотоизомеризации. Однако Аль-Кайси и его коллега Кристофер Бардин хотели создать молекулярно-кристаллические двигатели, для работы которых требовалась только одна длина волны света. Итак, они синтезировали библиотеку светопоглощающих молекул антрацена, способных к безостановочному движению взад-вперед, то есть непрерывной фотоизомеризации, с помощью одного источника света. Исследователи находятся в процессе определения характеристик молекул на основе антрацена и использования их в качестве строительных блоков для создания большего количества молекулярных кристаллических двигателей. Их активируемый светом зверинец теперь включает длинные змееподобные веревки и одного очень волосатого паука, который может изгибаться, прыгать, извиваться и танцевать.

Аль-Кайси, химик-органик из Университета медицинских наук имени Короля Сауда ибн Абдель Азиза и Международного медицинского исследовательского центра имени короля Абдаллы, более двух десятилетий работал с Бардином, профессором химии Калифорнийского университета в Риверсайде, над фотомеханическими кристаллами. Эти "умные" кристаллы преобразуют энергию, которую они поглощают от света, в механическую работу и обычно характеризуются как термически обратимые или фотохимически обратимые. Другими словами, первоначальное движение кристаллов в ответ на световой стимул меняется на противоположное при повторном воздействии тепла или света соответственно. Однако третье подмножество этих умных кристаллов привлекает больше внимания таких химиков, как Аль-Кайси и Бардин, из-за их способности поддерживать непрерывное колебательное движение при воздействии одного источника света.

Фотореактивные молекулы из библиотеки Аль-Кайси являются отправной точкой для создания молекулярных кристаллических двигателей. Каждая из молекул содержит три сегмента: антраценовый сегмент, двойную углеродную связь и настраиваемую "головную группу" на другой стороне углеродной связи. Антрацен поглощает свет и передает энергию двойной углеродной связи, которая действует как ось молекулы. Затем головная группа определяет структуру кристаллической упаковки молекулы, форму и поведение.

Как только молекулы антрацена синтезированы, их вводят в мыльный раствор, где они собираются вместе в процессе, называемом кристаллографией. Эти кристаллизовавшиеся комочки используются в качестве "затравок" и помещаются в другой мыльный раствор с большим количеством молекул антрацена, где они самостоятельно собираются в более крупные формы - обычно стержни и проволоку. Некоторые из этих структур самостоятельно собираются в еще более сложные формы, которые видны невооруженным глазом. Хотя самосборка двигателя в основном происходит случайным образом, исследователи ищут способы управлять ею, изменяя температуру и мыльность жидкости и перемешивая жидкость с разной скоростью.

При освещении в мыльном растворе двигатели демонстрируют сложное и непрерывное трехмерное движение. Исследователи могут настраивать движение двигателя, регулируя интенсивность света и длину волны. Исследователи знают, что на молекулярном уровне движение обусловлено фотоизомеризацией вокруг двойной углеродной связи. Однако они все еще исследуют, как молекулы координируют это поведение по всему молекулярно-кристаллическому двигателю.

В ходе демонстраций исследователи обнаружили, что двигатели удивительно долговечны, не проявляя признаков усталости после нескольких часов воздействия света. А поскольку они изготовлены на основе кристаллов, они обладают врожденной устойчивостью к коррозии и электромагнитным помехам и обеспечивают "исключительное" соотношение веса и мощности. По мнению исследователей, эти качества делают молекулярно-кристаллические двигатели особенно подходящими для биомедицинских применений, микромашин и микроспутников. Аль-Кайси и Бардин говорят, что с помощью "прикосновения инженера" их фундаментальные научные открытия потенциально могут решить проблемы реального мира, такие как активируемые светом молекулярные машины для доставки лекарств и решетки, которые направляют поток воды вокруг корпуса корабля.

Исследование финансировалось Университетом медицинских наук имени короля Сауда ибн Абдель Азиза, Международным медицинским исследовательским центром имени короля Абдаллы и Национальным научным фондом США. Аль-Кайси подал заявку запатентовать эту технологию с Ведомством по патентам и товарным знакам США.