فلورسانس به دست آمده در موتورهای مولکولی نور محور

به گزارش سناپرس همدان، به دلایل بسیاری، خوب است که بتوانیم این مولکول‌های موتوری را نمایان کنیم. بهترین راه برای انجام این کار این است که آنها را فلورسانس کنید. با این حال، ترکیب دو عملکرد با واسطه نور در یک مولکول کاملاً چالش برانگیز است. آزمایشگاه فرینگا اکنون به دو روش مختلف موفق به انجام این کار شده است. این دو نوع از موتورهای چرخشی نور محور فلورسنت در Nature Communications  و Science Advances توضیح داده شده اند.
فرینگا که در سال 2016 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد، توضیح می‌دهد: پس از طراحی موفق موتورهای مولکولی در دهه‌های گذشته، هدف مهم بعدی کنترل عملکردها و خواص مختلف با استفاده از چنین موتورهایی بود. در موتورهای دوار، طراحی سیستمی که علاوه بر حرکت چرخشی، عملکرد دیگری نیز داشته باشد که توسط انرژی نور کنترل می شود، به ویژه چالش برانگیز است.
فرینگا و تیمش به ویژه به فلورسانس علاقه مند بودند، زیرا این یک تکنیک اصلی است که به طور گسترده برای تشخیص استفاده می شود، به عنوان مثال در تصویربرداری زیست پزشکی. معمولاً، دو چنین رویداد فتوشیمیایی در یک مولکول ناسازگار هستند. یا موتور نوری کار می کند و فلورسانس وجود ندارد یا فلورسانس وجود دارد و موتور کار نمی کند. فرینگا می‌گوید: اکنون نشان داده‌ایم که هر دو تابع می‌توانند به صورت موازی در یک سیستم مولکولی وجود داشته باشند، که نسبتاً منحصربه‌فرد است.
ریوجون تویودا، محقق پسا دکتری در گروه فرینگا، که اکنون سمت استادی در دانشگاه توهوکو در ژاپن دارد، یک رنگ فلورسنت به موتور چرخشی کلاسیک فرینگا اضافه کرد. تویودا می‌گوید: ترفند این بود که از مسدود کردن یکدیگر این دو عملکرد جلوگیری کنیم. او توانست فعل و انفعالات مستقیم بین رنگ و موتور را خاموش کند. این کار با قرار دادن رنگ عمود بر قسمت بالایی موتوری که به آن وصل شده بود انجام شد. تویودا توضیح می دهد: این تعامل را محدود می کند.
به این ترتیب، فلورسانس و عملکرد چرخشی موتور می توانند با هم وجود داشته باشند. علاوه بر این، مشخص شد که تغییر حلال به او اجازه می دهد تا سیستم را تنظیم کند: با تغییر قطبیت حلال، تعادل بین هر دو عملکرد را می توان تغییر داد. این بدان معنی است که موتور به محیط خود حساس شده است که می تواند راه را برای کاربردهای آینده نشان دهد.
یکی از نویسندگان شیرین فرجی، استاد شیمی نظری در دانشگاه گرونینگن، به توضیح چگونگی این اتفاق کمک کرد. کیانا مقدم، یک محقق پسا دکترا در گروه خود، محاسبات مکانیکی کوانتومی گسترده ای را انجام داد و نشان داد که چگونه انرژی های کلیدی حاکم بر دینامیک عکس برانگیخته به شدت به قطبیت حلال بستگی دارد.
یکی دیگر از خواص مفید این مولکول موتور فلورسنت این است که می توان رنگ های مختلف را تا زمانی که ساختار مشابهی دارند به آن چسباند. تویودا می‌گوید: بنابراین، ساخت موتورهایی که در رنگ‌های مختلف می‌درخشند، نسبتاً آسان است.
دومین موتور فلورسنت توسط لوکاس فایفر ساخته شد، همچنین در حین کار به عنوان محقق پسا دکترا در گروه فرینگا بود. او که از آن زمان به École Polytechnique Fédérale در لوزان، سوئیس پیوست، گفت: راه حل من بر اساس یک مولکول موتوری بود که قبلا ساخته بودم، که توسط دو فوتون نزدیک به مادون قرمز کم انرژی هدایت می شود. موتورهایی که با نور مادون قرمز نزدیک تغذیه می‌شوند در سیستم‌های بیولوژیکی مفید هستند، زیرا این نور عمیق‌تر از نور مرئی به بافت نفوذ می‌کند و کمتر از نور UV برای بافت مضر است.
فایفر می گوید: من یک آنتن به مولکول موتور اضافه کردم که انرژی دو فوتون مادون قرمز را جمع آوری می کند و آن را به موتور منتقل می کند. در حین کار بر روی این، متوجه شدیم که با برخی تغییرات، آنتن می تواند باعث فلورسانس نیز شود. مشخص شد که مولکول می تواند دو حالت برانگیخته متفاوت داشته باشد: در یک حالت، انرژی به قسمت موتور منتقل می شود و چرخش را به حرکت در می آورد، در حالی که حالت دیگر باعث فلورسانس مولکول می شود.
پروفسور ماکسیم پسنیچنیکوف، که آنالیز طیف‌سنجی هر دو نوع موتور فلورسنت را انجام داده و یکی از نویسندگان هر دو مقاله است، توضیح می‌دهد: در مورد این موتور دوم، کل مولکول فلورسانس می‌شود. این موتور یک موجود شیمیایی است که تابع موج روی آن موضعی نیست و بسته به سطح انرژی، می‌تواند دو اثر متفاوت داشته باشد. با تغییر طول موج نور و در نتیجه انرژی دریافتی مولکول، شما یا چرخش یا فلورسانس را دریافت می کنید. فرجی می افزاید: رویکرد هم افزایی اصولی و عملی ما، تأثیر متقابل بین مطالعات نظری و تجربی را برجسته می کند و قدرت چنین تلاش های ترکیبی را نشان می دهد.
اکنون که تیم هر دو حرکت و فلورسانس را در یک مولکول ترکیب کرده است، گام بعدی نشان دادن تحرک و تشخیص مکان مولکول به طور همزمان با ردیابی فلورسانس است. فرینگا می‌گوید: این بسیار قدرتمند است و ما می‌توانیم آن را برای نشان دادن اینکه چگونه این موتورها ممکن است از یک غشای سلولی عبور کنند یا در داخل یک سلول حرکت کنند، به کار ببریم، زیرا فلورسانس یک تکنیک پرکاربرد برای نشان دادن مکان مولکول‌ها در سلول است.
ما همچنین می‌توانیم از آن برای ردیابی حرکتی که توسط موتور با انرژی نور القا می‌شود، استفاده کنیم، به عنوان مثال در یک مسیر در مقیاس نانو یا شاید ردیابی حمل و نقل ناشی از موتور در مقیاس نانو. همه اینها بخشی از تحقیقات بعدی است.
این مقاله در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
منبع: phys.org
مترجم: سید سپهر ارومیهء