전기 분자 모터

Nature 613권, 280~286페이지(2023)이 기사 인용

19,000번의 액세스

6 인용

233 알트메트릭

측정항목 세부정보

거시적인 전기 모터는 현대 사회의 거의 모든 측면에 지속적으로 큰 영향을 미치고 있습니다. 결과적으로, 전기로 구동할 수 있는 분자 모터1,2,3를 개발하려는 노력은 이보다 시의적절할 수 없습니다. 여기에서는 두 개의 사이클로비스(파라쿼트-p-페닐렌)6(CBPQT4+) 링이 용액 내에서 전기에 의해 구동되어 50개 멤버 루프를 중심으로 단방향으로 회전하는 [3]카테네인4,5를 기반으로 하는 전기 분자 모터에 대해 설명합니다. 루프의 구성은 깜박이는 에너지 래칫7,8의 안내에 따라 두 링 모두 높은(85%) 단방향 이동을 겪는 반면, 두 링 사이의 상호 작용은 다음과 유사한 2차원 포텐셜 에너지 표면(PES)을 발생시킵니다. FOF1 ATP 합성효소9에 의해 보여지는 것입니다. 단방향성은 진동10 전압11,12 또는 산화환원 전위13의 외부 변조에 의해 구동됩니다. 처음에 우리는 상동성 [2]카테난에 관심을 집중했지만 운동학적 비대칭성이 밑창 링의 단방향 움직임을 지원하기에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 따라서 우리는 두 번째 CBPQT4+ 링을 통합하여 두 모바일 링 간의 상호 작용에 의해 추가 대칭 파괴를 제공했습니다. [3]카테난의 루프 주위에 있는 두 개의 고리의 전기 구동 연속 순환 운동에 대한 이 시연은 폐기물 생성이 없으며 표면 결합 전기 분자 모터를 향한 중요한 단계를 나타냅니다.

지난 40년 동안 인공 분자 기계의 설계 및 합성15,16은 거시적 모터 개발에서 발생하는 것과 비슷한 규모의 기술 혁명에 대한 약속을 촉진했습니다.17,18,19 외부 소스의 에너지를 분자 규모의 단방향 운동으로 변환하기 위해3,22,23 로탁산 기반 선형 모터5,8,24,25,26,27 및 카테난 기반 회전 모터4,5를 포함한 여러 인공 분자 기계 ,28,29는 빛4,24,30,31,32 및 화학 연료5,25,29,33,34가 있는 곳에서 작동하도록 설계, 합성 및 표시되었습니다. 표면의 초고진공 하에서 터널링 전류를 사용하여 단일 분자 모터에 전력을 공급할 수 있다는 것이 입증되었지만 솔루션에서 작동하는 전기 구동식 카테난 회전 모터의 예는 우리가 아는 한 알려진 바가 없습니다. 여기에서는 두 개의 링이 전기로 구동되어 루프 주위에서 단방향으로 회전할 수 있는 [3]카테난을 기반으로 한 산화환원 구동 회전 모터의 설계, 합성 및 작동을 보고합니다.

[3]카테난 분자 모터 [3]CMM은 50원 루프를 둘러싸는 두 개의 CBPQT4+(참조 6) 링을 포함합니다(그림 1a). 비스(4-메틸렌페닐)메탄(BPM) 단위는 V+• 환원 라디칼 양이온 상태로 환원 시 미리 정해진 두 개의 비올로겐(V2+) 단위를 분리하여 환원된 CBPQT2(+•) 고리에 대한 인식 부위38 역할을 합니다. 루프의 나머지 부분은 11개의 메틸렌 그룹과 1개의 산소 원자를 포함하는 사슬로 구성되며, 이소프로필페닐렌(IPP) 입체 장벽, 즉 루프의 최종 고리 폐쇄 중에 생성되는 트리아졸(T) 고리에 의해 길이를 따라 차단됩니다. [3]카테난과 2,6-디메틸피리디늄(PY+) 쿨롱 장벽을 제공합니다. 루프의 V2+/+• 단위와 두 개의 CBPQT4+/2(+•) 고리의 산화환원 특성으로 인해 산화 상태[3]CMM13+가 환원 상태로 변환될 수 있습니다(그림 1b). ]CMM7+6•, 2개의 CBPQT2(+•) 링의 움직임을 동반하여 라디칼 쌍 상호 작용에 의해 루프의 V+• 단위를 둘러쌉니다39. 이 디자인은 PY+-V2+-IPP로 구성된 펌핑 카세트26,42,43가 활성 단방향 게이트 역할을 하는 산화환원 구동 로탁산 기반 분자 펌프에 대한 이전 연구12,25,40,41에서 영감을 얻었습니다. 매 산화환원 주기 후에 벌크 용액에서 수집 체인으로 CBPQT4+ 링을 운반합니다. 이러한 선형 로탁산 기반 펌프와 비교하여, 카테난 기반 모터는 전원이 있는 한 한 링이 다른 링을 중심으로 연속적인 단방향 순환 회전을 겪을 것으로 예상됩니다. 로탁산 기반 펌프의 양끝이 연결되어 [2]카테넨을 형성하는 뻔한 설계는 단방향성의 탐침이 없는 구성을 낳는다. 결과적으로 우리는 두 이동 링 사이의 상호 작용과 단방향성을 조사하기 위해 루프와 [3]카테난을 개발했습니다.