光驱动分子马达已经问世二十多年了。这些电机通常需要微秒到纳秒才能旋转一圈。格罗宁根大学物理学副教授 Thomas Jansen 和硕士生 Atreya Majumdar 现在设计了一种更快的分子马达。新设计仅由光驱动，可以在皮秒内完成一整圈，使用单个光子的能量。Jansen表示，我们开发了一种新的开箱即用设计，用于速度更快的运动分子。 该设计于6 月 7 日发表在《物理化学快报》上。

新的运动分子设计始于一个项目，其中 Jansen 想了解激发发色团的能量图谱。这些发色团可以相互吸引或排斥。我想知道我们是否可以用它来让他们做点什么，詹森解释说。他将这个项目交给了 Atreya Majumdar，当时她是格罗宁根纳米科学顶级硕士学位课程的一年级学生。Majumdar 模拟了连接形成单个分子的两个发色团之间的相互作用。

通过光同时激发两个发色团，它们通过偶极相互作用相互排斥。当发色团相互结合时，它们开始围绕使它们保持在一起的键旋转。

光

Majumdar 现在是法国巴黎萨克雷大学纳米科学博士生，他解释了他的发现，一个光子会同时激发两个发色团，产生偶极子，使它们相互排斥。但是当它们粘在一起时，通过三键轴连接，两半围绕轴相互推开。在这个运动中，它们开始相互吸引。总之，这导致完全旋转，由光能和两个发色团之间的静电通讯产生。


最初的光驱动分子马达是由詹森的同事、格罗宁根大学有机化学教授、2016 年诺贝尔化学奖获得者 Ben Feringa 开发的。该电机分四步旋转一圈。两个步骤由光驱动，两个步骤由热驱动。加热步骤是限速的，詹森解释说，分子必须等待热能的波动才能将其推向下一步。



瓶颈

相比之下，在新设计中，旋转完全从激发态开始。由于由于量子动力学定律，一个光子同时激发两个发色团，没有限制旋转速度的主要瓶颈，因此比经典的“Feringa”电机大两到三个数量级。

所有这些仍然是基于计算和模拟的理论。制造其中一台电机并非易事，Jansen 承认。发色团被广泛使用，但有点脆弱。创建三键轴也不容易。既然已经描述了它的特性，詹森预计有人会尝试构建这种有机分子。Majumdar 补充说，并不是一种特定的分子具有这些特性，我们已经为这种类型的分子马达的设计制定了通用指南。



蓝图

至于应用，Jansen 能想到的屈指可数。它们可能用于为药物输送提供动力或在表面上移动纳米级物体，或者它们可能用于其他纳米技术应用。并且转速远高于平均生物物理过程的转速，因此可用于控制生物过程。在模拟中，电机连接到一个表面，但它们也会在解决方案中旋转。Jansen表示，实现这些电机需要大量的工程和调整，但我们的蓝图将提供一种全新类型的分子电机。