Động cơ phân tử hiệu quả hơn cho những ứng dụng tiềm năng

Những động cơ phân tử do ánh sáng điều hướng đầu tiên đã được phát triển gần 25 năm trước ở ĐH Groningen, Hà Lan. Kết quả này đã góp phần đem lại giải Nobel Hóa học cho giáo sư Ben Feringa vào năm 2016. Tuy nhiên, để làm được những động cơ phân tử đó hoạt động trên thực tế lại là một thách thức.

Một bài báo từ phòng thí nghiệm của Feringa, được xuất bản trên tạp chí Nature Chemistry vào ngày 26/4, đã miêu tả một sự kết hợp các cải tiến có thể đem đến gần hơn những ứng dụng đời thực ¹.

Tác giả thứ nhất của công bố Jinyu Sheng, hiện đang là một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Viện nghiên cứu KH&CN Áo (ISTA), đã điều chỉnh một động cơ phân tử do ánh sáng điều hướng “thế hệ đầu tiên” trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Feringa. Anh tập trung vào việc đem lại sự hiệu quả cho phân tử động cơ này. “Nó chạy rất nhanh, nhưng chỉ 2% số photon mà phân tử hấp thụ điều hướng chuyển động quay”.

Sự hiệu quả thấp này có thể cản trở con đường của những ứng dụng đời thực. “Khi giải quyết được khía cạnh hiệu quả, chúng tôi còn có thể kiểm soát được tốt hơn chuyển động này, Sheng cho biết thêm. Chuyển động quay của động cơ phân tử ở phòng thí nghiệm của Feringa gồm bốn bước: hai trong số chúng là quang hóa còn hai bước còn lại là do nhiệt độ điều hướng. Bước cuối cùng là một chiều nhưng các bước quang hóa gây ra sự đồng phân hóa của phân tử thường là phản ứng thuận nghịch – phản ứng trong đó sự chuyển đổi chất phản ứng thành sản phẩm và sự chuyển đổi sản phẩm thành chất phản ứng xảy ra đồng thời.

Sheng đã đặt mục tiêu cải thiện tỉ lệ hấp thụ photon điều hướng chuyển động quay. “Vô cùng khó để dự đoán cách làm điều này như thế nào và cuối cùng chúng tôi khám phá một cách tình cờ một phương pháp có thể làm được điều đó thành công”. Sheng đã cho thêm một nhóm chức năng aldehyde vào phân tử động cơ như một bước đầu để chuyển đổi.

“Tuy nhiên, tôi đã quyết định thử nghiệm chức năng của động cơ của phiên bản trung gian này và tìm thấy nó vô cùng hiệu quả theo cách mà chúng tôi chưa từng thấy trước đây”.

Để làm điều này, anh đã hợp tác với Nhóm Photonics phân tử tại Viện Các khoa học phân tử Van ‘t Hoff, ĐH Amsterdam. Sử dụng quang phổ laser tiên tiến và tính toán hóa lượng tử các con đường phân rã electron đã được vẽ sơ đồ, qua đo đem lại những thông tin chi tiết về hoạt động của động cơ phân tử này.

Hơn nữa, nó trở nên rõ ràng hơn là việcđiều chỉnh này còn giúp Sheng kiểm soát tốt hơn chuyển động quay của phân tử. Như nhận xét trước đây, động cơ phân tử quay theo bốn bước rời rạc. Sheng nói “trước đây, nếu chúng tôi chiếu một chùm ánh sáng vào một động cơ, chúng tôi sẽ tạo ra một hỗn hợp các động cơ ở những giai đoạn khác nhau của chu trình quay. Sau khi biến đổi, chúng tôi có thể đồng bộ hóa mọi động cơ và kiểm soát chúng ở từng giai đoạn”.

Điều này giúp mở ra tất cả các dạng có thể của ứng dụng động cơ phân tử, ví dụ như chúng có thể được sử dụng như một chiral dopant trong một tinh thể lỏng, nơi các vị trí khác nhau có thể tạo ra những màu sắc phản xạ khác nhau. Trong bài báo, Sheng và đồng nghiệp đã trình bày một ví dụ của hiện tượng này. Những ứng dụng khác có thể là kiểm soát sự tự tập hợp của các phân tử.

Việc cho thêm nhóm aldehyde vào các phân tử động cơ cũng đem lại một hiệu ứng thú vị khác: nó chuyển sự hấp thụ ánh sáng tới một bước sóng dài hơn. Do các bước sóng dài hơn đâm xuyên sâu hơn vào các mô sống hoặc các khối vật liệu, điều này có nghĩa là các động cơ có thể hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng y khoa và khoa học vật liệu bởi vì nhiều ánh sáng hơn sẽ chạm đến các phân tử động cơ trong khi chính điều này sẽ cho phép sử dụng nhiều photon một cách hiệu quả hơn.

“Một số đồng nghiệp của chúng tôi đang tham gia nghiên cứu cùng chúng tôi về động cơ phân tử này cho những ứng dụng khác nhau”, Sheng nói. Anh chờ đợi sẽ có nhiều bài báo hơn nữa về chủ đề này trong tương lai gần. Tuy nhiên có một thách thức khác trong phòng thí nghiệm của Feringa, “động cơ phân tử này hiện đã hiệu quả hơn rồi nhưng chúng tôi không biết đích xác tại sao việc chuyển đổi này bắt nguồn từ đâu. Hiện chúng tôi đang cùng nghiên cứu để làm sáng tỏ điều đó”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://nation.lk/online/more-efficient-molecular-motor-widens-potential-applications-263486.html

https://www.eurekalert.org/multimedia/1023967

——————————————————

1.https://www.nature.com/articles/s41557-024-01521-0