より効率的な分子モーターにより潜在的な用途が広がる

光駆動分子モーターは、約 25 年前にオランダのフローニンゲン大学で初めて開発されました。 この結果、2016 年にベン・フェリンガ教授がノーベル化学賞を共同受賞することになりました。しかし、これらのモーターに実際の動作をさせるのは困難であることが判明しました。 フェリンガ研究室からの新しい論文が出版されました。 自然化学 4 月 26 日に、実際のアプリケーションに近づける改善の組み合わせについて説明しています。

筆頭著者の Jinyu Sheng 氏は、現在オーストリア科学技術研究所 (ISTA) の博士研究員であり、博士課程の在学中に「第 1 世代」の光駆動分子モーターを応用しました。 フェリンガ研究室で研究。 彼の主な焦点は、モーター分子の効率を高めることでした。 「非常に高速ですが、分子が吸収する光子のわずか 2% だけが回転運動を駆動します。」

この効率の悪さは、実際のアプリケーションの邪魔になる可能性があります。 「さらに、効率が向上すれば、動作をより適切に制御できるようになります」と Sheng 氏は付け加えます。 フェリンガの分子モーターの回転運動は 4 つのステップで行われます。そのうちの 2 つは光化学的であり、2 つは温度によって駆動されます。 後者は一方向性ですが、光化学ステップにより分子の異性化が引き起こされ、通常は可逆的です。

Sheng 氏は、回転運動を引き起こす吸収される光子の割合を改善することに着手しました。 「これをどのように行うかを予測するのは非常に困難ですが、最終的にはうまくいく方法を偶然発見しました。」 Sheng 氏は、さらなる変換の最初のステップとして、モーター分子にアルデヒド官能基を追加しました。

「しかし、この中間バージョンの運動機能をテストすることにしたところ、これまでに見たことのない方法で非常に効率的であることがわかりました。」

このために、彼はアムステルダム大学ヴァントホフ分子科学研究所の分子フォトニクスグループと協力しました。 高度なレーザー分光法と量子化学計算を使用して電子崩壊経路がマッピングされ、分子モーターの動作に関する詳細な洞察が得られました。

さらに、この適応により、Sheng は分子の回転運動をより適切に制御できるようになったことが明らかになりました。 前述したように、分子モーターは 4 つの個別のステップで回転します。 Sheng 氏は、「以前は、モーターのバッチに光を照射すると、回転サイクルのさまざまな段階でモーターが混在していました。修正後は、すべてのモーターを同期させ、各段階で制御することが可能になりました。」と述べています。

これにより、あらゆる種類の可能性が開かれます。 たとえば、モーターは液晶のキラルドーパントとして使用でき、位置が異なると異なる反射色が生成されます。 Sheng氏らは論文の中で、この例を紹介している。 他の応用例としては、分子の自己集合の制御などが考えられます。

モーター分子にアルデヒド基を追加すると、光の吸収がより長い波長にシフトするという別の興味深い効果もあります。 より長い波長は生体組織やバルク材料にさらに浸透するため、より多くの光がモーター分子に到達し、光子もより効率的に使用されるため、医療用途や材料科学においてモーターがより効率的に動作する可能性があることを意味します。

「私たちの多くの同僚が現在、さまざまな用途に向けてこの新しい分子モーターの開発に協力しています」と Sheng 氏は言います。 彼は、近い将来、このテーマに関するさらに多くの論文が発表されることを期待しています。 一方、フェリンガ研究室には別の課題もある。「分子モーターはより効率的になったが、なぜこの変更がこの効果を引き起こすのか正確にはわかっていない。私たちは現在それに取り組んでいる。」