Nature Nanotechnology：利用脈沖燃料分子ratchet在相間泵送

【導讀】

將溶液中的物種吸附到固體中并吸附到固體上是廢物和污染物隔離、貴金屬回收、多相催化、分析和分離科學以及其他技術的基礎。相間的轉移傾向于沿著平衡方向自發進行，例如二氧化硅（SiO₂）納米顆粒上的烷基銨基團（alkyl ammonium groups）通過主-客體結合從溶液中化學吸附葫蘆素大環（cucurbituril macrocycles）。其中，分子ratchet機制，即動力學門控抑制或加速特定的步驟，使其有可能逐步推動動態系統偏離平衡。基于理論研究，能量和信息ratchet機制對分子系統遠離平衡的證明，使分子馬達和分子泵的設計成為可能。

【成果掠影】

近日，英國曼徹斯特大學David A. Leigh教授（通訊作者）等人報道了固定在聚合物beads上的分子泵，它使用能量ratchet機制將基質從溶液定向輸送到beads上。在加入三氯乙酸（CCl₃CO₂H）后，通過溶劑可接近的分子泵功能化的直徑為微米的聚苯乙烯珠與附加熒光標簽的溶液冠醚隔離。在燃料消耗后，這些環被機械地困在beads上，處于更高能量的不平衡狀態，不能通過稀釋或徹底清洗來去除。這與耗散組裝材料不同，耗散組裝材料需要持續供應能量才能持續存在，也不同于傳統的主-客體復合物。添加第二個燃料脈沖會導致吸收更多的大循環，從而使系統進一步遠離平衡。第二個大環可以用不同的熒光標簽進行標記，從而提供有關吸收結構的序列信息。聚合物結合的基材可以一次釋放一個隔間或一次全部釋放回本體。固定化人工分子機器的非平衡吸附使化學燃料中的能量轉化為能量和信息的使用、存儲和釋放。研究成果以題為“Pumping between phases with a pulsed-fuel molecular ratchet”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

本文所有圖來源于? 2022 Springer Nature Limited。

【核心創新】

1、固定在聚合物beads上的分子泵，利用能量ratchet機制將基質從溶液定向輸送到beads上。

2、研究能量和信息ratchet機制，助力設計分子馬達和分子泵。

【數據概覽】

圖一、利用脈沖化學燃料從溶液泵送至聚合物beads的溶劑可及部位

圖二、分子泵1在溶液中的逐步操作

圖三、分子ratchet 1在溶液中操作的部分¹H NMR光譜

（a）DB24C8；

（b）分子ratchet 1；

（c）[2]輪烷3H⁺，1與CF₃CO₂H、DB24C8和酰肼2反應后分離；

（d）[2]輪烷6，在3H⁺與DBU、硫醇4和二硫化物5反應后分離；

（e）[3]輪烷7H⁺，6與CF₃CO₂H、DB24C8和酰肼2反應后分離。

圖四、利用脈沖化學燃料從溶液順序泵送至聚合物beads

（a）固定在直徑為10 μm的聚苯乙烯beads上的分子ratchet結構；

（b）操作條件：（1）beads 10（0.5?mmol）、蒽大環8（2.8?mM）、酰肼2（1.1?mM）、硫醇5（1.3?mM）、二硫化物6（13?mM）、Et₃N（400?mM）和CCl₃CO₂H（1200?mM），CH₃CN，室溫18? h；（2）beads 11（0.5?mmol）、萘酰亞胺大環化合物9（2.8?mM）、酰肼2（1.1?mM）、硫醇5（1.3?mM）、二硫化物6（13?mM）、Et₃N（400?mM）和CCl₃CO₂H（1200?mM）、CH₃CN，室溫18? h；

（c）操作條件：（1）beads 10（0.5?mmol）、萘酰亞胺大環化合物9（2.8?mM）、酰肼2（1.1?mM）、硫醇5（1.3?mM）、二硫化物6（13?mM）、Et₃N（400?mM）和CCl₃CO₂H（1200?mM）、CH₃CN，室溫18? h；（2）beads 13（0.5?mmol）、蒽大環8（2.8?mM）、酰肼2（1.1?mM）、硫醇5（1.3?mM）、二硫化物6（13?mM）、Et₃N（400?mM）和CCl₃CO₂H（1200?mM）、CH₃CN，室溫18? h。

圖五、讀取存儲在ratcheted輪烷聚合物beads中的序列信息

（a）操作條件：（1）beads 12（0.5?mmol）、甲肼（200?mM）、CF₃CO₂H（50?mM）、CH₃CN，室溫24 ?h；（2）beads 15（0.5?mmol）、DTT（50?mM）、Et₃N（50?mM）、CH₃CN，室溫24 ?h；

（b）操作條件：（1）beads 14（0.5?mmol）、甲肼（200?mM）、CF₃CO₂H（50?mM）、CH₃CN，室溫24 ?h；（2）beads 17（0.5?mmol）、DTT（50?mM）、Et₃N（50?mM）、CH₃CN，室溫24? h。

【成果啟示】

綜上所述，作者證明了固定化的分子ratchets可以從化學燃料中轉換能量，以將底物從物質的一個相平衡轉移到另一個相。作者使用微米尺寸的聚合物beads說明了這一點，但該方法應證明適用于其他固體、表面、凝膠和納米顆粒。這些過程可能被證明可用于從溶液或氣相中提取化學物質，以及分子納米技術和其他化學過程中能量和信息的存儲和釋放。事實上，通過能量ratchets機制控制吸收/解吸過程最近已被確定為驅動多相催化高于靜態Sabatier最大值。

文獻鏈接：Pumping between phases with a pulsed-fuel molecular ratchet. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01097-1.

本文由材料人CQR編譯。

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