01 februari 2024

Forskare har länge strävat efter att utveckla artificiella molekylära motorer som kan omvandla energi till riktad rörelse. Nu presenterar LiU-forskare en lösning på ett svårknäckt problem: hur rörelsen på ett kontrollerat sätt kan överföras från en plats till en annan med en ”molekylär växel”. Molekylära motorer har potential att användas för exempelvis energilagring och inom medicin.

Manlig forskare ritar upp en molekyl.LiU-forskare har tagit fram en designprincip för hur man kan överföra rotationsrörelsen till en annan del av ett molekylärt system och ha fullständig kontroll över rotationens riktning. Foto Thor Balkhed

– Artificiella molekylära motorer är molekyler som tar upp ljus från en extern källa, exempelvis solljus, och omvandlar energin i ljuset till rörelseenergi, säger Bo Durbeej, professor vid Linköpings universitet, som har lett studien som publicerats i tidskriften Chemistry – A European Journal.

”Molekylära motorer” kan låta som science fiction, men i kroppen finns många biologiska molekylära motorer som driver muskler och transporterar ämnen inne i celler. Forskare inom kemi och nanoteknik har länge haft som mål att utveckla artificiella molekylära motorer, som kan bli användbara inom flera områden i framtiden. Några möjliga tillämpningar är att använda dem till att leverera läkemedel till rätt plats i kroppen eller för att lagra solenergi.

Men att bara ha en motor räcker inte. En bil som bara bestod av en motor men saknade hjul skulle inte komma långt. Kraften från motorn måste flyttas – i bilens fall till hjulen – och det görs via en växellåda. På samma sätt är nästa steg inom forskningsfältet att konstruera molekylära växlar som kan överföra rörelseenergin från en del av en molekyl till en annan del. Framtida tillämpningar är beroende av att rörelsen kan användas någon annanstans än där den skapas.Bo Durbeej.Bo Durbeej. Foto Thor Balkhed

Tar kontroll över rörelsen

– Många forskare har länge försökt att konstruera molekylära växlar. Vi har tagit fram en designprincip för hur man kan överföra rotationsrörelsen till en annan del av ett molekylärt system och ha fullständig kontroll över rotationens riktning. Tidigare designer har inte kunnat kontrollera rotationsrörelsen, säger Bo Durbeej.Illustration av molekyl.Stillbild från forskarnas datorsimuleringar som visar hur rotationsrörelsen överförs från själva motorn till propellern i en molekylär växel

En stor utmaning med att utveckla en molekylär fotoväxel är att den del som man vill få att rotera, ”propellern”, sitter ihop med resten av molekylen med en enkelbindning. Enkelbindningar roterar väldigt lätt, vilket gör det svårt att kontrollera rotationens riktning. Men det problemet har LiU-forskarna alltså lyckats lösa genom att hitta en bra kombination av flera samverkande faktorer, bland annat avståndet mellan propellern och den del av molekylen som utgör själva ”motorn”.

Beräkningar på superdator

Att forskarnas design fungerar har de bekräftat med beräkningar och avancerade datorsimuleringar, som gjorts på superdatorer vid Nationellt superdatorcentrum i Linköping tillhandahållna av Swedish National Infrastructure for Computing, SNIC, och National Academic Infrastructure for Supercomputing in Sweden, NAISS.

– Nu har vi visat att vår designprincip fungerar. Nästa steg är att ta fram molekylära fotoväxlar som är så enkla som möjligt att syntetisera, säger Bo Durbeej.
Studien har genomförts med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, Olle Engkvists stiftelse och Carl Tryggers stiftelse för vetenskaplig forskning.

Artikeln: A Proof-of-Principle Design for Through-Space Transmission of Unidirectional Rotary Motion by Molecular Photogears, Enrique Arpa, Sven Stafström och Bo Durbeej, (2023), Chemistry – A European Journal, publicerad online den 31 oktober 2023, doi: 10.1002/chem.202303191

Se också: tidskriftens omslag som illustrerar LiU-forskningen

Här är principen bakom den molekylära "växellådan"

Så funkar "växellådan"

För att molekylära motorer ska bli användbara i framtiden måste rörelsen som skapas kunna flyttas till en annan del i molekylen, på liknande sätt som kraften från motorn i en bil får hjulen att snurra. Bo Durbeej, professor i beräkningsfysik, visar principen för hur en molekylär motor och forskarnas lösning på en "växellåda" fungerar.

Mer forskning om molekylära motorer

Mer om forskningsmiljön

Senaste nytt från LiU

Florian Trybel

Samarbetet tänjer på fysikens gränser

Teoretikern Florian Trybel har en central roll i skapandet av nya material. Tillsammans med sin kollega inom experimentell forskning i Skottland siktar han på att utöka möjligheterna för material i extrema förhållanden.

Ung kvinna öppnar en dörr

Från teori till terapi

På Psykologmottagningen vid LiU får studenter på psykologprogrammet chans att göra skillnad på riktigt. Utöver en unik möjlighet att omsätta teori i praktik hjälper de patienter med allt från stresshantering, sömnbesvär, nedstämdhet, oro och fobier.

Kaiqian Wang.

Upptäckt om smärtsignalering kan bidra till bättre behandling

LiU-forskare har ringat in den exakta platsen på ett specifikt protein som finjusterar smärtsignalers styrka. Kunskapen kan användas för att utveckla läkemedel mot kronisk smärta som är mer effektiva och har färre biverkningar.