Все слышали про четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Аналог четырехтактного мотора существует и на молекулярном уровне — моторы Феринги. Они представляют из себя органическую молекулу, состоящую из 3 ключевых частей: ароматического ротора, хирального статора и двойной связи — оси вращения (рис. 1). Вращающаяся часть — ротор — образует общую сопряженную систему со статором через двойную связь. Это позволяет мотору приводиться в движение светом с достаточно низкой энергией. Хиральность мотора, обеспечиваемая, как правило, сульфоксидной группой, необходима для задания направления вращения мотора. Когда молекула-мотор поглощает фотон, двойная связь ослабевает, а стерическое напряжение обеспечивает поворот в необходимую сторону. После поворота на 180° молекула находится не в оптимальной конформации из-за взаимодействия с хиральным центром. Это вызывает переход в более выгодную конформацию на второй стадии цикла. После этого первые две стадии повторяются, что приводит мотор в начальное положение.
В недавно опубликованной статье в журнале Nature Chemistry группа исследователей под руководством Генри Дубе (Henry Dube) из Университета Эрлангена-Нюрнберга предложила способ усовершенствовать классические моторы Феринги путем добавления ещё одного такта в молекулярный двигатель. Основная идея ученых — сохранить часть энергии света в виде высокоэнергетического эпоксида. Они обеспечивают хиральность молекулы гидроксильной группой на роторе, а не сульфоксидной на статоре. Когда мотор уже провернулся на 360°, происходит перенос протона и изомеризация альфа-, бета-непредельного кетона и спиртовой группы в эпоксид (рис. 2).
Как можно увидеть на рисунке 3, предложенная модификация мотора позволяет использовать его в качестве молекулярной солнечной термальной батареи (MOST). Исследователи продемонстрировали, что при низких температурах (−110 °C) можно зафиксировать высокоэнергетический эпоксид. Этот процесс виден визуально: исходный жёлто-оранжевый раствор становится полностью прозрачным. При нагревании интермедиата до комнатной температуры происходит обратная изомеризация с выделением тепла, что завершает цикл вращения.
Такие батареи могут найти применение при создании искусственных мышц, молекулярных компьютеров, наноразмерных устройств с механическим приводом и материалов с управляемыми свойствами. Это исследование открывает совершенно новое направление в дизайне молекулярных машин, где использование обратимых химических реакций внутри цикла вращения позволяет создавать моторы с беспрецедентной эффективностью накопления энергии.
Ссылка на статью https://www.nature.com/articles/s41557-026-02141-6
Автор: Степан Попович
Источник: Химическое информационное агентство