中山大学最新《Nature》：连续转动化学能驱动分子马达

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中山大学最新《Nature》：连续转动化学能驱动分子马达

中山大学赵德鹏教授与荷兰格罗宁根大学&华南师范大学诺贝尔化学奖得主Ben L. Feringa教授合作，在《Nature》期刊上发表了一项关于连续转动化学能驱动分子马达的研究成果。该研究成功设计了一种具有三种不同立体化学元素的同手性联芳基马达-3，该马达能够经历由化学燃料驱动的两个芳基围绕单键轴的重复和单向360°旋转。

研究成果概述：

分子马达设计：该分子马达的设计灵感来源于生物系统中的旋转马达，如细菌鞭毛马达和三磷酸腺苷(ATP)合成酶。这些生物系统利用化学能为自主分子马达提供燃料，从而实现系统的失衡和旋转运动。研究人员通过引入三个邻位官能团（一个羧酸基团和两个酚基团）来围绕sp2芳基键的旋转，从而避免在没有燃料的情况下的随机布朗运动。

旋转机制：分子马达的顺时针360°旋转过程由六个步骤组成，包括两个环化步骤、两个环反转步骤和两个开环步骤。这些步骤通过立体选择性环化和开环反应来实现，这些反应是设计连续旋转分子马达以避免随机布朗运动的关键。

单向性与自主性：该分子马达具有对旋转方向的内在控制，并且能够在弱碱性水溶液条件下，在化学燃料存在下实现自主运动。其单向性高达99%，展示了未来几代多部件机器执行机械功能的潜力。

关键实验证据：

单向360°旋转验证：研究人员通过下定子非对称实验验证了分子马达的单向360°旋转。实验结果显示，分子马达能够按照预期的方向进行旋转，且旋转方向稳定。

同步旋转与自主运动：分子马达可以两种模式运行：一是与化学燃料的脉冲和酸碱振荡同步运动；二是在化学燃料存在下的自主运动。实验结果表明，这两种模式下分子马达均能保持稳定的旋转。

连续旋转实验：通过高效液相色谱（HPLC）监控的连续旋转实验显示，分子马达在加入化学燃料后能够持续旋转，并在达到稳定状态后保持各异构体比例大致不变。随着化学燃料的消耗和环状异构体的彻底水解，系统最终回到其初始平衡状态。

结论与展望：

该研究成功开发了一种以化学能为燃料的自主单向旋转分子马达，该马达利用了主要由动力学控制的系统中的固有手性元素。虽然其转速还远不及以纳秒为单位运行的光动力马达，但展示的设计原理有望与其他几种化学转化和燃料兼容，并有可能促进化学动力旋转马达的发展。未来，这种分子马达的设计原理可能会被应用于更广泛的类似机器的功能实现中，为分子机器领域的发展带来新的突破。

以上内容展示了中山大学在分子马达领域的最新研究成果，以及该成果对化学动力旋转马达发展的潜在影响。