光驱动单向分子转子的研究进展

分子转子是分子马达设计的要件,有关分子转子的讨论已经引起广泛的关注.主要介绍2003年以来单向转动型分子转子的研究状况,重点讨论其构效关系和应用方面的最新进展,展望了分子转子的发展前景并指出其面临的挑战.

红光发射分子转子的设计与合成

粘度对细胞微环境的维持非常重要。检测细胞内的粘度一般采用分子转子,而目前大多数的分子转子发射波长较短,不利于生物成像,为此我们设计了基于扭转分子内电荷转移(TICT)机理,通过共轭双键连接吸电子基和给电子基的红光发射的分子转子2-(2-(4-氨基苯乙烯基)-4-H-吡喃-4-亚基)-丙二腈(DCM-NH_2)。DCM-NH_2的最大发射波长为631 nm,属于远红光,能有效减少生物背景,提高成像信噪比。该探针对粘度有很好的响应,具有非常宽的线性响应范围(0.6~458.6 c P),同时也具有较高的灵敏度。

分子陀螺的设计、合成与组装

近来,科学家设计合成了系列分子水平的陀螺。类似于儿童玩具陀螺仪,这种分子陀螺由一个转子、一个定子框架和连接定子和转子的轴组成。定子框架通过自身的刚性结构为中心转子的转动提供足够的内在自由度,得以对内部的转子实施保护,并使得分子陀螺成为一个理想的分子转子。当转子上有偶极矩时,则可能在外来电、磁、光的刺激下进行定向转动,成为分子马达。化学家们通过X射线晶体衍射技术、动态核磁技术、理论计算化学、热力学分析等方法表征了分子陀螺的各种特征,并积极探索其潜在的应用价值。本文着重介绍分子陀螺以及超分子陀螺的发展历史和研究进展。

旋转型单分子机器

分子机器是一种分子水平上的机器,它是一类通过外部刺激(如化学能、电能、光照等)将能量转化为可控运动的分子器件。由于人工分子机器在纳米科技领域的应用越来越普遍,已经引起人们的广泛关注。人工合成的分子机器在模拟机器运动时主要有线性运动和旋转运动两种基本运动方式,本文重点介绍了几种旋转型的单分子机器,包括分子齿轮、分子转门、分子闸和分子棘轮、分子马达等。这类分子机器的结构特点是由轴、转子和定子三部分组成,其运动特点是转子通过轴围绕定子进行双向或单向旋转。本文在介绍这类分子转子的同时,简单讨论了其设计理念和在溶液状态下所表现出的动力学行为,同时还展望了分子转子和分子马达的发展前景和面临的挑战。