Publikacja w Science Advances (2025)

25 05 2025

Motory z nanoświata

Syntetyczne maszyny molekularne to stworzone przez chemików cząsteczki zdolne do wykonywania kontrolowanego ruchu w odpowiedzi na zewnętrzne bodźce — stanowią one molekularne odpowiedniki maszyn znanych z codziennego życia, lecz działają w skali atomowej. Motory molekularne stanowią szczególny typ takich maszyn – są to pojedyncze cząsteczki zaprojektowane tak, by wykonywały ruch obrotowy pod wpływem zewnętrznego zasilania, dostarczanego w postaci światła czy energii elektrycznej lub chemicznej. Choć są tysiące razy mniejsze od średnicy ludzkiego włosa, mogą pełnić funkcje analogiczne do silników w świecie makroskopowym. Ich rozwój otwiera nowe możliwości w takich obszarach jak precyzyjne dostarczanie leków, inteligentne materiały czy nanorobotyka.

Kluczowa jest chiralność

Fundamentalną cechą wyróżniającą motory wśród innych maszyn molekularnych jest ich uporządkowany, jednokierunkowy ruch obrotowy. Czynnikiem decydującym o kierunku pracy (obrotu) motorów jest chiralność, czyli skrętność ich cząsteczek. W tradycyjnych układach motorowych jest ona na stałe „wbudowana” w strukturę związku i trudna do zmiany po jego syntezie chemicznej. W praktyce oznacza to, że raz wytworzona cząsteczka motoru zawsze będzie obracać się tylko w jedną stronę: zgodnie lub przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara. Aby przełamać to ograniczenie, naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego: dr Joanna Jankowska i dr inż. Wojciech Danowski oraz student Wydziału Fizyki UW, p. Kamil Szychta, zaprojektowali nowatorski motor molekularny, którego kierunek pracy, dzięki obecności specjalnej jednostki przełączającej, można kontrolować zdalnie za pomocą impulsu pola elektrycznego. Odkrycie otwiera nowe możliwości precyzyjnego sterowania procesami zachodzącymi na poziomie pojedynczych cząsteczek i może mieć zastosowanie m.in. w inżynierii molekularnej, nanotechnologii czy tworzeniu inteligentnych powierzchni.

W badaniach wykorzystano zaawansowane metody chemii kwantowej oraz symulacje dynamiki molekularnej, pozwalające przewidzieć zachowanie cząsteczki po wzbudzeniu światłem oraz zastosowaniu impulsu elektrycznego. W centrum zainteresowania znalazła się specjalnie zaprojektowana cząsteczka, PFCN (symbolicznie przedstawiona na grafice), której chiralność można przełączać, stosując odpowiednio ukierunkowane pole elektryczne. Po ustaleniu chiralności, zaprojektowany układ działa stabilnie i zachowuje swój kierunek obrotu nawet po wyłączeniu pola.

Co dalej?

Prace otwierają nowe perspektywy dla budowy funkcjonalnych układów molekularnych, które będzie można „programować” zdalnie – np. do przenoszenia cząsteczek, transportu ładunku lub przełączania stanów powierzchni. Potencjalne zastosowania obejmują m.in. nanoroboty, inteligentne materiały i systemy precyzyjnego dozowania leków. Kolejnym krokiem będzie weryfikacja koncepcji przełączalnych polem elektrycznym motorów w eksperymentach laboratoryjnych oraz poszukiwanie praktycznych platform, na których będzie można je osadzić i sterować ich pracą w warunkach rzeczywistych.

Publikacja:

Unidirectional molecular rotary motor with remotely switchable rotation direction
Kamil Szychta, Wojciech Danowski, and Joanna Jankowska*
Sci. Adv. 11, eadt8008 (2025), DOI: 10.1126/sciadv.adt8008
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt8008