【導讀】

分子馬達（Molecular motors）在生命系統中起著至關重要的中山大學作用，從能量轉換、最新運動和細胞內運輸，材料到信號轉導和視覺。中山大學近幾十年來，最新在設計和應用人造分子機器方面取得了顯著的材料進展，使機械功能如馬達、中山大學肌肉、最新運輸器等成為可能。材料目前，中山大學單向旋轉已在光驅動亞胺電機等許多系統中實現，最新但是材料與光能驅動的動力沖程系統不同，單向設計連續和自主的中山大學化學驅動旋轉電機仍然是非常具有挑戰性的，尤其是最新因為關于單鍵的每個旋轉狀態的適當吉布斯自由能變化和活化能，即每個化學步驟的材料動力學應通過一組反應精確控制。此外，抑制隨機布朗運動和設計一種具有使用化學燃料繞軸單向旋轉的內在能力的類似ATPase（ATP，三磷酸腺苷）的自主分子馬達仍難以實現。生物系統主要利用化學能為自主分子馬達提供燃料，使系統失去平衡。雖然科學家們一直致力于設計僅由化學能驅動的合成分子馬達，但設計使用化學燃料自主運行并同時具有內在結構設計元素以允許像三磷酸腺苷合酶一樣的全360°單向旋轉運動的人工旋轉分子馬達仍然具有挑戰性。

【成果掠影】

在2022年9月6日，中山大學趙德鵬教授和荷蘭格羅寧根大學Ben L. Feringa（共同通訊作者）等人報道了一種旋轉電機，即具有三個不同立體化學元素的同手性聯芳基Motor-3，其可以使兩個芳基圍繞由化學燃料驅動的單鍵軸進行重復和單向360°旋轉。它分別經歷了酯環化、螺旋反轉和開環，并在自主旋轉循環中實現了高達99%的單向性。分子旋轉馬達可以以兩種模式運行：化學燃料脈沖同步運動和酸堿振蕩、在化學燃料存在下在弱堿水性溶液中自主運動。這種旋轉電機設計具有對旋轉方向的內在控制、用于自主運動的簡單化學燃料和近乎完美的單向性，說明了未來幾代多組件機器執行機械功能的潛力。研究成果以題為“Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors”發布在國際著名期刊Nature上。

【核心創新】

在化學燃料驅動下，制備的Motor-3可使兩個芳基圍繞單鍵軸進行重復和單向360°旋轉，并在自主旋轉循環中實現了高達99%的單向性。

【數據概覽】

圖一、連續旋轉分子馬達的設計和概念示意圖?2022 Springer Nature Limited

圖二、下定子的去對稱化驗證分子馬達的單向360°旋轉?2022 Springer Nature Limited

圖三、化學燃料脈沖和酸-堿振蕩同步360°旋轉?2022 Springer Nature Limited

圖四、分子馬達連續旋轉?2022 Springer Nature Limited

【成果啟示】

總之，作者開發了一種以化學能為燃料的自主單向旋轉分子馬達，利用系統中的固有手性元素，該系統主要受動力學控制，不同于通過小偏向主要布朗運動運行的系統。盡管與在納秒范圍內運行的輕型電機的轉速相距甚遠，但作者預計此處顯示的設計原理將與其他幾種化學轉化和燃料兼容，并可能促進化學動力旋轉電機的發展，以實現廣泛的機器類功能。

文獻鏈接：Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05033-0.

本文由CQR編譯。

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