Nature Nanotechnology：利用脉冲燃料分子ratchet在相间泵送

【导读】

将溶液中的物种吸附到固体中并吸附到固体上是废物和污染物隔离、贵金属回收、多相催化、分析和分离科学以及其他技术的基础。相间的转移倾向于沿着平衡方向自发进行，例如二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒上的烷基铵基团（alkyl ammonium groups）通过主-客体结合从溶液中化学吸附葫芦素大环（cucurbituril macrocycles）。其中，分子ratchet机制，即动力学门控抑制或加速特定的步骤，使其有可能逐步推动动态系统偏离平衡。基于理论研究，能量和信息ratchet机制对分子系统远离平衡的证明，使分子马达和分子泵的设计成为可能。

【成果掠影】

近日，英国曼彻斯特大学David A. Leigh教授（通讯作者）等人报道了固定在聚合物beads上的分子泵，它使用能量ratchet机制将基质从溶液定向输送到beads上。在加入三氯乙酸（CCl₃CO₂H）后，通过溶剂可接近的分子泵功能化的直径为微米的聚苯乙烯珠与附加荧光标签的溶液冠醚隔离。在燃料消耗后，这些环被机械地困在beads上，处于更高能量的不平衡状态，不能通过稀释或彻底清洗来去除。这与耗散组装材料不同，耗散组装材料需要持续供应能量才能持续存在，也不同于传统的主-客体复合物。添加第二个燃料脉冲会导致吸收更多的大循环，从而使系统进一步远离平衡。第二个大环可以用不同的荧光标签进行标记，从而提供有关吸收结构的序列信息。聚合物结合的基材可以一次释放一个隔间或一次全部释放回本体。固定化人工分子机器的非平衡吸附使化学燃料中的能量转化为能量和信息的使用、存储和释放。研究成果以题为“Pumping between phases with a pulsed-fuel molecular ratchet”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

本文所有图来源于© 2022 Springer Nature Limited。

【核心创新】

1、固定在聚合物beads上的分子泵，利用能量ratchet机制将基质从溶液定向输送到beads上。

2、研究能量和信息ratchet机制，助力设计分子马达和分子泵。

【数据概览】

图一、利用脉冲化学燃料从溶液泵送至聚合物beads的溶剂可及部位

图二、分子泵1在溶液中的逐步操作

图三、分子ratchet 1在溶液中操作的部分¹H NMR光谱

（a）DB24C8；

（b）分子ratchet 1；

（c）[2]轮烷3H⁺，1与CF₃CO₂H、DB24C8和酰肼2反应后分离；

（d）[2]轮烷6，在3H⁺与DBU、硫醇4和二硫化物5反应后分离；

（e）[3]轮烷7H⁺，6与CF₃CO₂H、DB24C8和酰肼2反应后分离。

图四、利用脉冲化学燃料从溶液顺序泵送至聚合物beads

（a）固定在直径为10 μm的聚苯乙烯beads上的分子ratchet结构；

（b）操作条件：（1）beads 10（0.5 mmol）、蒽大环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，室温18  h；（2）beads 11（0.5 mmol）、萘酰亚胺大环化合物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，室温18  h；

（c）操作条件：（1）beads 10（0.5 mmol）、萘酰亚胺大环化合物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，室温18  h；（2）beads 13（0.5 mmol）、蒽大环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，室温18  h。

图五、读取存储在ratcheted轮烷聚合物beads中的序列信息

（a）操作条件：（1）beads 12（0.5 mmol）、甲肼（200 mM）、CF₃CO₂H（50 mM）、CH₃CN，室温24  h；（2）beads 15（0.5 mmol）、DTT（50 mM）、Et₃N（50 mM）、CH₃CN，室温24  h；

（b）操作条件：（1）beads 14（0.5 mmol）、甲肼（200 mM）、CF₃CO₂H（50 mM）、CH₃CN，室温24  h；（2）beads 17（0.5 mmol）、DTT（50 mM）、Et₃N（50 mM）、CH₃CN，室温24  h。

【成果启示】

综上所述，作者证明了固定化的分子ratchets可以从化学燃料中转换能量，以将底物从物质的一个相平衡转移到另一个相。作者使用微米尺寸的聚合物beads说明了这一点，但该方法应证明适用于其他固体、表面、凝胶和纳米颗粒。这些过程可能被证明可用于从溶液或气相中提取化学物质，以及分子纳米技术和其他化学过程中能量和信息的存储和释放。事实上，通过能量ratchets机制控制吸收/解吸过程最近已被确定为驱动多相催化高于静态Sabatier最大值。

文献链接：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编译。

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