Upconversie nanodeeltjes kunnen de toepassing van moleculaire motoren helpen

Een onderzoeksteam heeft nanodeeltjes op het gebied van opconversie ontwikkeld om te helpen bij het voeden van moleculaire motoren. De nanodeeltjes kunnen nabij-infraroodstraling, die in staat is om bulkmateriaal te penetreren, omzetten in blauw of UV-licht dat de motoren efficiënt kan voeden. Als gevolg hiervan kunnen deze motoren nu effectief worden gebruikt om bulkmaterialen te responsief maken of als moleculaire schakelaars in biologische toepassingen te werken. De resultaten waren gepubliceerd vorige maand in de Journal of the American Chemical Society.

De samenwerking omvatte Prof. Ben Feringa aan Groningen University, Prof. Hong Zhang en zijn Ph.D. Afgestudeerd Dr. Kefan Wu aan het Van ‘T Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam.

De nanodeeltjes upconversion lost een dringend probleem op van de echte toepassing van moleculaire motoren: ze worden het meest effectief aangedreven door blauw of UV-licht. Wanneer geïntegreerd in bulkmaterialen of wanneer toegepast op apparaten die in biologische weefsels worden gebruikt, belemmert de korte penetratiediepte van blauw of UV -licht effectieve activering van de motoren. Bovendien kan UV -straling behoorlijk schadelijk zijn.

Een oplossing zou zijn om de motoren vatbaar te maken voor bijna infraroodstraling, die een superieure penetratiediepte biedt en relatief goedaardig is. Dit zou echter vereisen dat de motoren worden versierd met extra moleculaire groepen, waardoor hun synthese wordt ingewikkeld. Bovendien is het een vrij uitdaging om adequate foto-efficiëntie te realiseren in moleculaire motoren die direct worden aangedreven door infraroodstraling.

Een effectief overdrachtsmechanisme van stralingsergie

In hun artikel meldt het onderzoeksteam van Groningen/Amsterdam nu een nieuwe strategie om moleculaire motoren met een hoge efficiëntie te voorzien van bijna infraroodstraling. Het bouwt voort op de expertise van Prof. Hong Zhang in spectraal instelbare upconversie nanodeeltjes (UCNP’s) die effectief een stralingssenergieoverdrachtsmechanisme bieden.

In detail werken UCNP’s bestaande uit natriumjttriumfluoride gedoteerd met verschillende lanthanide-ionen als nanometerschaaltransducers, waarbij NIR-licht wordt omgezet in UV/zichtbare fotonen. Na absorptie door moleculaire motoren veroorzaken deze fotonen unidirectionele rotatiebeweging op een manier die vergelijkbaar is met directe excitatie door UV/zichtbaar licht.

Een reeks experimentele resultaten op moleculaire motoren demonstreert de werkzaamheid van deze strategie bij het vervangen van directe UV/zichtbare bestraling. Het is vooral nuttig in biologische omgevingen die diepe lichtpenetratie en verminderde fototoxiciteit vereisen, en in UV/zichtbare lichtgevoelige systemen zoals bulk vaste stoffen. Bovendien is geen gecompliceerde pre-functionalisering van moleculen nodig.

Volgens het team vertoont de aanpak hoge algemeenheid en reikwijdte bij het activeren van moleculaire motoren met NIR -licht. Dit houdt een aanzienlijk potentieel voor echte toepassingen met behulp van moleculaire machines in dynamische en slimme materialen, met name in het biologische domein.