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 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

Tre personer i labbrock står och pratar.

Bättre neutronspeglar kan avslöja materiens inre hemligheter

Med bättre neutronspeglar kan effektiviteten vid materialanalyser i neutronkällor bli högre. Den förbättrade spegeln har LiU-forskare utvecklat genom att belägga en kiselplatta med tunna lager av järn och kisel blandat med borkarbid.

Ensamt barn i silhuett.

Riktlinjer saknas kring barn som utsatts för sexövergrepp

Hälften av 34 undersökta länder i Europa saknar riktlinjer för hur barn som utsatts för sexuella övergrepp ska få hälsovård och behandling. Ett av dem är Sverige. Det visar en studie som gjorts vid Linköpings universitet.

Person intervjuas och pratar om sin avhandling

Sigrid blev dubbeldoktor - vid 26 års ålder

En lång men också väldigt rolig resa, så beskriver Sigrid Nilsson sin tid som forskarstuderande vid Forskarlinjen. För nu har hon disputerat och kan därmed både blicka framåt och bakåt på sin forskning.