乍一看，Rabih O. Al-Kaysi 的分子马达看起来就像你在一滴池塘水中看到的微小蠕虫。但这些蠕动的丝带没有生命;它们是由结晶分子制成的装置，在光照下会进行协调运动。 Al-Kaysi 及其同事表示，随着不断发展，他们的微型机器可以被医生用作药物输送机器人，或者设计成引导潜艇周围水流的阵列。

研究人员将于今天在美国化学会 (A) 春季会议上展示他们的研究结果。 A 2024 年春季会议是一场混合会议，将于 3 月 17 日至 21 日举行;它包含近 12,000 个有关一系列科学主题的演示。

该团队于 2021 年用能够实现光异构化的分子构建了他们最初的分子晶体马达——简单地说，马达中的各个分子在暴露在光线下时会来回波动其化学基团之一，它们的集体运动会导致马达的可见运动本身。 “我们的第一个电机是一根微线，当我将它暴露在紫外线和可见光的组合下时，它会弯曲并颤动，”Al-Kaysi 说。 “它看起来就像一个丝带舞者。它看上去还活着!”

该团队的第一个发动机中的分子需要多个波长的光(紫外线和可见光)来驱动光异构化。然而，Al-Kaysi 和同事 Christopher Bardeen 希望制造出只需要单一波长的光即可运行的分子晶体马达。因此，他们合成了一个能够在单一光源下不间断地来回运动(即连续光异构化)的吸光蒽分子库。研究人员正在表征蒽基分子，并将它们用作构建块来制造更多分子晶体马达。他们的光激活动物园现在包括长长的蛇状绳子和一只毛茸茸的蜘蛛，可以弯曲、跳跃、扭曲和跳舞。

Al-Kaysi 是沙特本阿卜杜勒阿齐兹国康科学大学和阿卜杜拉国王国际医学研究中心的有机化学家，他与加州大学河滨分校的化学教授巴丁在光机械晶体方面合作了多年。这些“智能”晶体将从光吸收的能量转化为机械功，通常具有热可逆或光化学可逆的特征。换句话说，晶体响应光刺激的初始运动分别被第二次热或光刺激逆转。然而，这些智能晶体的第三个子集正受到 Al-Kaysi 和 Bardeen 等化学家的更多关注，因为它们在暴露于单一光源时能够维持连续的振荡运动。

Al-Kaysi 库中的光反应分子是制造分子晶体马达的起点。每个分子都包含三个片段：蒽片段、碳双键和碳键另一侧的可定制“头基”。蒽吸收光并将能量传递给碳双键，碳双键充当分子的轴。然后，头基决定了分子的晶体堆积结构、形状和行为。

蒽分子合成后，就会被注入肥皂溶液中，在称为晶体工程的过程中聚集在一起。这些结晶团块被用作“种子”，并被放入另一种含有更多蒽分子的肥皂溶液中，在那里它们自组装成更大的形状——通常是棒和线。其中一些结构会自组装成肉眼可见的更复杂的形状。虽然电机的自组装大多是随机的，但研究人员正在寻找通过改变液体的温度和皂度以及以不同的速度搅拌液体来引导它的方法。

当在肥皂溶液中发光时，电机会显示出复杂且连续的 3D 运动。研究人员可以通过调整光强度和波长来调整电机的运动。研究人员知道，在分子水平上，这种运动是由碳双键周围的光致异构化驱动的。然而，他们仍在研究分子如何在整个分子晶体马达上协调这种行为。

在演示中，研究人员发现这些电机非常耐用，在光照数小时后也没有表现出疲劳的迹象。由于它们是基于晶体的，因此具有天生的耐腐蚀和抗电磁干扰能力，并提供“卓越”的重量功率比。研究人员表示，这些品质使分子晶体马达特别适合生物医学应用、微型机器和微型卫星。 Al-Kaysi 和 Bardeen 表示，在“工程师的接触”的帮助下，他们的基础科学发现有可能解决现实世界的问题，例如用于药物输送的光激活分子机器和引导水在周围流动的阵列。船体。