Vědci zkrotili světlem náhodný pohyb uvnitř molekuly

Po pohlcení světelné energie se elektrony v molekule přeskupí / Ústav organické chemie a biochemie
Molekuly nejsou nikdy v klidu. Vlivem tepelné energie se neustále pohybují v prostoru a navíc se jejich části otáčejí jedna vůči druhé. Vědci nyní ukázali, že náhodný pohyb uvnitř molekuly jde výrazně utlumit. Pomocí světla mohou zpomalit vzájemnou rotaci dvou různých částí jedné molekuly až o pět řádů, což představuje důležitý krok při konstrukci molekulárních strojů.

Jednotlivé části molekul se vlivem tepelné energie neustále chvějí, natáčejí a mění svou polohu. Tento jev se označuje jako Brownův pohyb. Při konstrukci molekulárních strojů tak vědci na rozdíl od „běžných strojařů“ pracují se součástkami, které se neustále pohybují.  Aby z nich mohli sestavit fungující mechanismus, musí umět jejich pohyb regulovat. Právě to se podařilo týmu Jiřího Kalety z Ústavu organické chemie a biochemie. 

Vědci vytvořili molekulární systém, do něhož zabudovali dvě klíčové části: světlem ovládaný molekulární motor a rotor, který se vlivem tepelného pohybu náhodně otáčí kolem své osy.

„Když na molekulu posvítíme, motor změní své prostorové uspořádání, a tím ovlivní pohyb rotoru. V uspořádání ‚odbrzděno‘ se rotor může otáčet snadno, v režimu ‚zabrzděno‘ mu motor začne prostorově překážet a výrazně zvýší energetickou bariéru, kterou musí rotor při otočení překonat,“ vysvětluje základní princip první autor studie Lukáš Severa.

Po pohlcení světelné energie se v molekule přeskupí elektrony, čímž se dočasně oslabí jedna z chemických vazeb. Molekulární motor díky tomu může změnit svůj tvar a vytvořit prostorovou překážku, která zpomaluje otáčení rotoru. Tato změna je vratná, takže motor může mezi oběma uspořádáními opakovaně přecházet.

Princip si lze představit jako ručičku volně uchycenou na ose, kterou neustále rozhýbávají drobné otřesy. Pokud jí nic nestojí v cestě, může se snadno otáčet. Když se ale do její dráhy dostane překážka, otáčení se výrazně zpomalí. V molekule tuto překážku vytváří pohyblivá část molekulárního motoru. 

Zpomalení až 300 000krát 

Rozdíl mezi oběma režimy je výrazný. „U dřívějších podobných systémů se dařilo rychlost rotace měnit maximálně stonásobně. Díky našemu principu jsme se posunuli ke zpomalení zhruba 300 000×, což představuje velký průlom,“ vysvětluje Jiří Kaleta. 

Rozdíl mezi oběma polohami se s klesající teplotou ještě dramaticky zvětšuje. Pokud by se při velmi nízké teplotě nezabrzděný rotor otočil jednou za sekundu, zabrzděnému by za stejných podmínek trvala jediná otáčka přibližně 350 miliard let – asi pětadvacetkrát déle, než je současný věk vesmíru.

Schopnost regulovat pohyb jednotlivých částí molekul je důležitá pro konstrukci složitějších molekulárních strojů. „Pokud chcete vytvořit složitější mechanismus, nestačí mít motor. Potřebujete také prvky, které dokážou pohyb jednotlivých součástí regulovat a vzájemně koordinovat. My ukazujeme jeden z principů, jak toho na molekulární úrovni dosáhnout,“ uzavírá Jiří Kaleta.

Zdroj: Angewandte Chemie International Edition, Ústav organické chemie a biochemie

#energie #molekula #Brownův pohyb #světlo #elektrony

Mohlo by vás zajímat

Reklama