Nature Advance 染料分子天线实现红外光驱动的分子电动机

光驱动的分子电动机在新型功能材料，以及药物精确输送方面具有重要应用。但是，由于目前该驱动光波段一直处于紫外线波长，这并不十分适合于体内应用。荷兰科学家成功地使用红外光源实现了分子驱动（Sci. Adv.，doi：10.1126 / sciadv.abb6165）。因为红外线能够深入组织且通常不会损伤人体器官，这些设备将是医学的理想选择。

染料分子吸收红外光子提供分子驱动力。

分子电动机概念由格罗宁根大学的Ben Feringa提出，他也因此赢得了2016年诺贝尔化学奖。他的研究证明了制造出能够沿相同方向连续旋转的分子电动机的可行性。他使用了一个由两个转子组成的分子，这些转子由平面原子构成，并通过双碳键相互连接。

实现方法是每一次使一个转子相对于另一个转子旋转180度，同时通过添加甲基实现棘轮状机制，以避免后向滑动。电机的每个完整循环都包括四个步骤，在第一步和第三步上施加紫外线以刺激化学反应，进而产生旋转。克服每次旋转后出现的张力（通常会看到结构被迫回到其初始位置）是通过一种称为热螺旋反转的自发过程实现的，该过程涉及两个转子间的滑移。

迄今为止，研究人员尝试用较少的能量光为此类电动机供电一直没有成功。理论上，一个紫外线光子的能量可以通过同时吸收两个红外线光子来提供。但是事实证明，这种直接的双光子吸收效率非常低，只有在高强度光的情况下电动机才旋转。因此限制了其在医疗中的应用。

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Froningen的研究团队使用第二个分子充当“天线”来吸收两个近红外光子，然后将能量共振地传递到驱动分子上，分子通过共价键连接。瑞士洛桑联邦理工学院Lukas Pfeifer表示，最大挑战就是找到合适的分子，使这两种分子的能级匹配并在电机旋转不中断的情况下进行链接。

研究人员发现，他们可以使用由称为AF-343的染料分子制成的天线来实现这种系统。AF-343在被两个近红外光子激发后，可以通过在近场中发射虚拟光子将能量转移至驱动分子。这破坏了电动机双碳键的一半，导致两个转子之一旋转180度。然后，该结构要么返回基态，要么以中等能级进入亚稳态。在前一种情况下，它返回到其初始配置，而在后一种情况下，一定的热量输入使其能够在下降到基态之前经历热螺旋反转，并且完好无损。

染料以90％的效率将能量转移至运动分子，因此，激发的近红外光的强度能被限制在组织损伤发生阈值以下几个数量级。这种共振传递通过避免发射和重新吸收上转换的光子而得以实现，这也使光子尽量避免被人体中其他光敏分子吸收。

Feringa认为，这项技术对精度要求很高的医学治疗有潜在应用。光激活药物可保证只有在目标化学物质到达肿瘤后才发挥作用，而细胞不受到伤害。这种靶向治疗如果应用于细菌感染，也有可能缓解抗生素耐药性的问题。

上述光驱动分子应用的主要限制是速度慢。分子旋转过程中，从染料到驱动分子的能量转移的时间仅需要万亿分之一秒，而热螺旋反转大约需要一个小时才能发生。但是，减少两个转子之间的斥力的技术加速紫外线分子电动机，该技术创新也已被用于新的基于天线的设计中。随着技术发展，光驱动分子的效率将在未来逐步提升。