Молекулярні ротори

Вперше про створення молекулярного двигуна обертання повідомив Росс Келлі у своїй роботі в 1999 році. Його система складалася з трьох триптицинових роторів і геліценової частини , і була здатна виконувати односпрямовані обертання в площині 120 °.

Ротація відбувається в 5 етапів. Обертання може здійснюватися тільки за годинниковою стрілкою, для проведення процесу обертання в інший бік потрібно набагато більші витрати енергії.

Проте , дана модель не позбавлена ​​серйозних недоліків: послідовність подій, яка призводить до обертання на 120 ° не повторюється. Тому Росс Келлі і його колеги шукали різні шляхи для забезпечення неодноразового повторення цієї послідовності. Спроби досягти мети не увінчалися успіхом і проект був закритий.

У 1999 році з лабораторії доктора Бена Феринги в Гронінгенському університеті (Нідерланди) надійшло повідомлення про створення односпрямованого молекулярного ротора. Їх молекулярний двигун обертання на 360 ° складається з біс-геліцена, з'єднаного подвійним аксіальним зв'язком, і має два стерео центри .

Один цикл односпрямованого обертання займає 4 етапи. На першому етапі низька температура викликає ендотермічну реацію в транс-ізомері (P, P) перетворюючи його в цис-ізомер (М, М), де P — правозакручена спіраль, а M — лівозакручена спіраль. У цьому процесі дві осьові метилові групи перетворюються на екваторіальні .

Шляхом підвищення температури до 20 °C метилові групи конвертуються назад в екзотермальні (P, P) цис-аксіальні групи. Так як осьові ізомери є стабільнішими, ніж екваторіальні ізомери, то зворотний процес ротації неможливий. Фотоізомеризація перетворює цис-ізомер (P, P) в транс-ізомер (М, М), знову з утворенням екваторіальних мелілових груп. Тепловий процес ізомеризації при 60 °C закриває 360° цикл обертання по відношенню до первісної позиції.

Серйозною перешкодою для здійснення цієї реакції є низька швидкість обертання, яка навіть не порівнянна з існуючими в природі біологічними молекулярними роторами. У найбільш швидких на сьогоднішній день системах з фтор-групами половина термічної інверсії спіралі молекули здійснюється за 0,005 секунди. Цей процес відбувається з використанням реакції Бартона — Келлога. Повільний крок обертання, як припускають, можна значно прискорити за рахунок більшої кількості трет-бутилових груп, які роблять ізомер ще менш стабільним, порівняно з метиловими групами. Так як нестабільнойсть ізомерів підвищується, то і прискорюється інверсія спіралі молекули .

Принципи роботи молекулярного ротора Феринги були включені в прототип наноробота. Прототип має синтетичні геліценові двигуни з оліго-шасі та 4-ма карбоновими колесами і, як очікується, зможе здійснювати рух по твердій поверхні під контролем скануючого тунельного мікроскопа. Однак, поки двигун не працює на основі фуллеренових коліс, тому що вони знижують фотохімічну реацию частин ротора.

Обертання молекулярного мотора тунелюванням електронів за методом Петра Крала.

За аналогією з традиційним електродвигуном, наномасштабні молекулярні мотори можуть бути приведені в рух шляхом резонансного або нерезонансного тунелювання електронів. Нанорозмірні обертові машини на основі цих принципів були розроблені Петром Кралем і його співробітниками в Університеті штату Іллінойс в Чикаго.