光控分子機(jī)器可以使比其自身大得多的物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但一旦達(dá)到所謂的光靜止?fàn)顟B(tài)，它們就會(huì)停止旋轉(zhuǎn)。通過(guò)使用對(duì)光敏感的手性液晶，就有可能產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)的超光譜分子結(jié)構(gòu)。而這種機(jī)器在肌肉合成，納米和微型機(jī)器人以及高級(jí)機(jī)械馬達(dá)等應(yīng)用有所幫助。
分子機(jī)器經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的發(fā)展，利用陽(yáng)光或復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的能量，在自然界中普遍存在。例如，人體肌肉是由數(shù)以千計(jì)的這種機(jī)器，通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所控制的，而這些機(jī)器就是由復(fù)雜的蛋白質(zhì)組成的。
最近，研究人員成功地將光燃料分子作為分子馬達(dá)整合到液晶薄膜中，以制造出光線照射下就可以旋轉(zhuǎn)的這種機(jī)器。法國(guó)波爾多大學(xué)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Etienne Brasselet對(duì)此舉例介紹道，將手性分子馬達(dá)嵌入液晶薄膜中，能夠使得比自身大得多的玻璃棒旋轉(zhuǎn)。然而，問(wèn)題是超分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一旦達(dá)到光穩(wěn)定狀態(tài)（又稱說(shuō)光化學(xué)平衡狀態(tài)）就會(huì)停止。
液晶薄膜具有特殊的幾何性
目前，荷蘭特溫特大學(xué)的Brasselet和Nathalie Katsonis已經(jīng)克服了這個(gè)問(wèn)題，該系統(tǒng)將相同的光敏手性分子馬達(dá)，用于先前研究中來(lái)?yè)诫s向列相液晶。新研究工作的不同之處在于研究人員添加了一種被動(dòng)手性共摻雜分子。然后他們將基于螺旋得到的液晶膜限制在兩個(gè)載玻片之間，每個(gè)載玻片都迫使液晶分子定向垂直于載玻片。
研究人員Brasselet解釋道：“當(dāng)單元之間的間隙小于液晶的螺距時(shí)，螺旋就會(huì)被抑制。我們利用紫外激光束可通過(guò)調(diào)整超分子螺旋間距照射混合物來(lái)釋放它。這會(huì)在顯微鏡下觀察到薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的局部缺陷結(jié)構(gòu)或圖案。在低強(qiáng)光下，該結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)左旋或右旋對(duì)稱的圖案，但是當(dāng)激光束的能量充分增加時(shí)，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生對(duì)稱破裂并出現(xiàn)新的旋轉(zhuǎn)圖案。事實(shí)上，在持續(xù)光照下旋轉(zhuǎn)會(huì)長(zhǎng)達(dá)40小時(shí)。”
手性是關(guān)鍵
研究人員將研究成果發(fā)表在了Nature Nanotechnology?中，其中指出手性是這些機(jī)器旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，因此應(yīng)該從一開(kāi)始就將其整合到分子馬達(dá)的設(shè)計(jì)中。 他們提出：“這種現(xiàn)象可以被認(rèn)為是別洛烏索夫-扎伯廷斯基（BZ）反應(yīng)的手性對(duì)應(yīng)物，這種手性超分子結(jié)構(gòu)將來(lái)可用于將光轉(zhuǎn)化為工作的開(kāi)發(fā)自主分子系統(tǒng)?！?/p>
化學(xué)專業(yè)的學(xué)生所喜愛(ài)的BZ反應(yīng)是指處于非平衡狀態(tài)下，反應(yīng)物濃度和產(chǎn)物濃度不斷增加和減少使反應(yīng)在不同狀態(tài)之間進(jìn)行變化。
原文來(lái)自nanotechweb
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
