Новости

Jun 27, 2023

Электрический молекулярный двигатель

Природа, том 613, стр.

Nature, том 613, страницы 280–286 (2023 г.) Процитировать эту статью

19 тысяч доступов

6 цитат

233 Альтметрика

Подробности о метриках

Макроскопические электродвигатели продолжают оказывать большое влияние практически на все аспекты жизни современного общества. Следовательно, усилия по разработке молекулярных двигателей1,2,3, которые могут приводиться в движение электричеством, не могут быть более своевременными. Здесь мы описываем электрический молекулярный двигатель на основе [3]катенана4,5, в котором два кольца циклобис(паракват-п-фенилен)6 (CBPQT4+) приводятся в действие электричеством в растворе и вращаются в одном направлении вокруг 50-членной петли. Конструкция петли гарантирует, что оба кольца подвергаются сильному (85%) однонаправленному движению под руководством мигающего энергетического храпового механизма7,8, тогда как взаимодействия между двумя кольцами создают двумерную поверхность потенциальной энергии (ППЭ), подобную это показано FOF1 АТФ-синтазой9. Однонаправленность обеспечивается колебательным10 напряжением11,12 или внешней модуляцией окислительно-восстановительного потенциала13. Первоначально мы сосредоточили наше внимание на гомологичном [2]катенане только для того, чтобы обнаружить, что кинетическая асимметрия недостаточна для поддержания однонаправленного движения единственного кольца. Соответственно, мы включили второе кольцо CBPQT4+, чтобы обеспечить дальнейшее нарушение симметрии за счет взаимодействия между двумя мобильными кольцами. Эта демонстрация непрерывного вращательного движения двух колец вокруг петли в [3]катенане с электрическим приводом не приводит к образованию отходов и представляет собой важный шаг на пути к электрическим молекулярным двигателям, связанным с поверхностью14.

За последние 40 лет проектирование и синтез15,16 искусственных молекулярных машин породили надежды17,18,19 на технологическую революцию, аналогичную по масштабам той, которая возникла в результате разработки макроскопических двигателей. Для преобразования энергии внешнего источника в однонаправленное движение на молекулярном уровне20,21 было создано несколько искусственных молекулярных машин, в том числе3,22,23 линейные двигатели на основе ротаксана5,8,24,25,26,27 и роторные двигатели на основе катенана4,5 ,28,29 были разработаны, синтезированы и показаны для работы в присутствии света4,24,30,31,32 и химического топлива5,25,29,33,34. Хотя было продемонстрировано35,36,37, что одномолекулярные двигатели могут питаться туннельными токами в сверхвысоком вакууме на поверхностях, примеры катенановых роторных двигателей с электрическим приводом, работающих в растворе, насколько нам известно, неизвестны. Здесь мы сообщаем о конструкции, синтезе и работе роторного двигателя с окислительно-восстановительным приводом на основе [3] катенана, в котором два кольца могут приводиться в действие электричеством и вращаться в одном направлении вокруг петли.

Молекулярный мотор [3]катенана [3]CMM включает (рис. 1a) два кольца CBPQT4+ (ссылка 6), окружающие 50-членную петлю. Единица бис(4-метиленфенил)метана (BPM) разделяет две единицы виологена (V2+), которые предопределены при восстановлении до их восстановленных катионных радикалов V+• и служат сайтами узнавания38 для восстановленных колец CBPQT2(+•). Оставшаяся часть петли состоит из цепи, содержащей 11 метиленовых групп и один атом кислорода, перехваченной по всей длине стерическим барьером изопропилфенилена (IPP), триазольным (T) кольцом, которое образуется во время окончательного замыкания цикла. с образованием [3] катенана и кулоновского барьера 2,6-диметилпиридиния (PY+). Вследствие окислительно-восстановительных свойств звеньев V2+/+• в петле и двух колец CBPQT4+/2(+•) окисленное состояние [3]CMM13+ может переходить (рис. 1б) в восстановленное состояние [3 ]CMM7+6•, что сопровождается перемещением двух колец CBPQT2(+•) так, чтобы окружить звенья V+• в петле посредством взаимодействия радикальных пар39. Эта конструкция была вдохновлена ​​предыдущими исследованиями12,25,40,41 молекулярных насосов на основе ротаксана, управляемых окислительно-восстановительным потенциалом, в которых насосная кассета26,42,43, содержащая PY+–V2+–IPP, служит активным односторонним затвором. для транспортировки кольца CBPQT4+ из основного раствора в собирающую цепь после каждого окислительно-восстановительного цикла. По сравнению с этими линейными насосами на основе ротаксана, двигатели на основе катенана, как ожидается, будут подвергаться непрерывному однонаправленному вращению одного кольца вокруг другого, пока есть источник питания. Очевидная конструкция, в которой два конца насоса на основе ротаксана соединены, образуя [2]катенан, приводит к конституции, в которой нет зонда однонаправленности. Следовательно, мы разработали петлю и [3]катенан, чтобы исследовать взаимодействие и однонаправленность двух мобильных колец.