分子晶体马达暴露在光线下时像微生物一样移动

一种分子晶体马达在受到光照时会像微生物一样移动

一种由Rabih O. Al-Kaysi研发的分子马达，看起来像是你在池塘水滴中会见到的微生物。但这些扭动的带状物并不是活着的，它们实际上是由结晶分子构成的装置，在受到光照后能够进行协调运动。研究人员表示，随着技术的进一步发展，这些微型机器可能会被医生用作药物输送机器人，或者被设计成用于引导潜艇周围水流的阵列。

研究人员将在美国化学学会（ACS）2024年春季会议上介绍他们的研究成果。该会议将于3月17日至21日以线上线下混合方式举行，包括近12000个关于各种科学主题的演讲。

该团队于2021年首次构建了由分子构成的晶体马达，其中使用的分子能够进行光异构化——简单来说，当受到光照时，马达中的单个分子会使其化学基团来回波动，而它们的集体运动则导致马达本身出现可见的运动。“我们的第一个马达是一根微小的弯曲和摆动的线，当我将其暴露在紫外光和可见光的组合下时，”Al-Kaysi说。“它看起来像是舞蹈的彩带。看起来活生生的！”

该团队的第一个马达中的分子需要多个波长的光（紫外光和可见光）来推动光异构化。然而，Al-Kaysi和同事Christopher Bardeen希望创建只需单一波长的光就能运转的分子晶体马达。因此，他们合成了一系列具有光吸收性的蒽分子，能够通过单一光源进行持续来回运动——即连续的光异构化。目前，研究人员正在对这些蒽基分子进行表征，并将它们用作构建更多分子晶体马达的基础。他们现在的光激活动物园中包括长长的蛇形绳索和一只非常毛茸茸的蜘蛛，可以弯曲、跳跃、扭曲和舞动。

Al-Kaysi是沙特阿卜杜拉醫學研究中心的有机化学家，已经与加州大学河滨分校的化学教授Bardeen合作超过20年，共同致力于光机智晶体的研究。这些“智能”晶体能够将它们从光中吸收的能量转化为机械工作，通常被描述为热可逆或光化学可逆。换句话说，这些晶体对光刺激的初始运动会被热或光的第二次刺激所逆转。然而，这些智能晶体的第三个子集因其能够在单一光源下维持连续振荡运动的能力，正受到像Al-Kaysi和Bardeen这样的化学家更多的关注。

Al-Kaysi图书馆中的光反应分子是制作分子晶体马达的起点。每个分子都包含三个部分：一个蒽片段，一个碳双键和另一侧可定制的“头基”。蒽吸收光并将能量传递给碳双键，后者起到分子的轴承作用。然后，头基决定了分子的晶体堆积结构、形状和行为。

一旦蒽分子被合成，它们就被注入到一个肥皂溶液中，通过晶体工程的过程自组装成大型形状——通常是棒状和线状。其中一些结构会自组装成更复杂的形状，甚至可以用肉眼看到。尽管马达的自组装主要是随机的，研究人员正在寻找通过改变液体的温度和泡沫性质以及在不同速度下搅拌液体来引导其自组装的方法。

当在肥皂溶液中照明时，这些马达显示出复杂而持续的三维运动。研究人员可以通过调整光强度和波长来调节马达的运动。在分子水平上，研究人员知道运动是由于碳双键周围的光异构化所驱动的。然而，他们仍在研究分子如何协调整个分子晶体马达的行为。

在实验中，研究人员发现这些马达异常耐用，在数小时的光照后没有显示出疲劳迹象。由于它们基于晶体构造，它们天生具有抗腐蚀和电磁干扰的特性，提供了“优异”的重量功率比。据研究人员称，这些特性使得分子晶体马达特别适用于生物医学应用、微型机器和微型卫星。Al-Kaysi和Bardeen表示，借助“工程师的精神”，他们的基础科学发现有潜力解决实际问题，比如用于药物输送的光激活分子机器以及用于引导船体周围水流的阵列。

该研究由沙特阿卜杜拉醫學研究中心、国王阿卜杜拉国际医学研究中心和美国国家科学基金会资助。Al-Kaysi已在美国专利商标局申请了一项关于这项技术的专利。