En kiral molekyl är en molekyl med den speciella egenskapen att den skiljer sig från sin spegelbild på samma sätt som en vänsterhand skiljer sig från en högerhand. Dessa båda spegelbildsformer har med ett enda undantag (hur de roterar planpolariserat ljus) identiska fysikaliska egenskaper, men skiljer sig åt hur de reagerar med andra kirala molekyler. Detta är av stor betydelse inom organisk kemi, speciellt vid framställning av läkemedel som skall växelverka med kroppens biomolekyler, som nästan alltid är kirala.
Dessutom kan organiska molekylers kiralitet utnyttjas i molekylära motorer för att omvandla ljusenergi till rotationsrörelse. Det är dock inte alltid enkelt att syntetisera organiska molekyler med önskad kiralitet som kan fungera som molekylära motorer. I en studie publicerad i Organic Letters har LiU-forskare nyligen visat att man kan få effektiva motorer genom att utnyttja den så kallade isotopiska kiralitet som finns i molekyler med väteatomer i olika isotoper.
- Frågan vi ställde oss var om man kan använda isotopisk kiralitet på samma sätt som man normalt använder kemisk kiralitet för att designa organiska molekylära motorer, säger Bo Durbeej, professor i beräkningsfysik vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, som har lett studien.
Skillnaden mellan de två formerna av kiralitet är att kemiskt kirala organiska molekyler ofta kräver att en specifik kolatom i molekylen är bunden till två olika kemiska grupper, medan det räcker med att kolatomen är bunden till två olika isotoper av en väteatom för att göra molekylen isotopiskt kiral.
- Isotopisk kiralitet är ett välkänt koncept sedan 1930-talet, men betraktades länge mest som en kuriositet utan speciell användning. Nu har vi visat att konceptet faktiskt kan utnyttjas till att designa molekylära motorer som i princip är lika effektiva som de som utnyttjar kemisk kiralitet för att omvandla ljusenergi till rotationsrörelse, säger Bo Durbeej.
Genom avancerade datorsimuleringar vid Nationellt superdatorcentrum, NSC, i Linköping, kunde Bo Durbeej och hans medarbetare även visa att isotopiskt kirala motorer i ett viktigt avseende kan vara att föredra framför traditionella, kemiskt kirala motorer:
- Om man byter ut en stor kemisk grupp mot en väteatom minskar molekylens vikt, vilket gör att den kan rotera snabbare. Det blir helt enkelt mer kräm i motorn, säger Bo Durbeej.
Molekylära motorer är ett forskningsfält under stark expansion, mycket vare tack den enorma potential som fältet har. 2016 års nobelpris i kemi gick till fältets pionjärer.
- Molekylära motorer förutspås möjliggöra nydanande tillämpningar inom både nanoteknik och medicin, exempelvis för transport och leverans av läkemedel, och det är kul att vi lyckats visa att ett gammalt koncept som isotopisk kiralitet kan bidra fältets till utveckling, säger Bo Durbeej.