Наночастицы для преобразования света позволили управлять молекулярными моторами инфракрасным излучением

Графическая аннотация. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07953

Международная исследовательская группа разработала наночастицы для преобразования света (апконверсии), которые помогают приводить в действие молекулярные моторы. Эти наночастицы способны преобразовывать ближнее инфракрасное излучение, проникающее через объёмные материалы, в синий или ультрафиолетовый свет, эффективно питающий моторы. Благодаря этому молекулярные моторы теперь можно эффективно использовать для создания чувствительных объёмных материалов или в качестве молекулярных переключателей в биологических приложениях. Результаты работы были опубликованы в прошлом месяце в Journal of the American Chemical Society.

В коллаборации участвовали профессор Бен Феринга из Гронингенского университета, профессор Хонг Чжан и его аспирант доктор Кефан Ву из Института молекулярных наук Вант-Гоффа Амстердамского университета.

Наночастицы решают серьёзную проблему практического применения молекулярных моторов: они наиболее эффективно работают от синего или УФ-света. При интеграции в объёмные материалы или при использовании в устройствах для биологических тканей малая глубина проникновения синего и УФ-света препятствует эффективной активации моторов. Кроме того, УФ-излучение может быть вредным.

Решение заключалось в том, чтобы сделать моторы чувствительными к ближнему инфракрасному излучению, которое обладает большей глубиной проникновения и относительно безопасно. Однако для этого потребовалось бы добавление дополнительных молекулярных групп, что усложняет синтез. Кроме того, довольно сложно достичь достаточной фотоэффективности в молекулярных моторах, непосредственно управляемых инфракрасным излучением.

Эффективный механизм передачи лучистой энергии

В своей статье исследовательская группа из Гронингена и Амстердама представляет новую стратегию питания молекулярных моторов с высокой эффективностью с использованием ближнего инфракрасного излучения. Она основана на экспертизе профессора Хонг Чжана в области спектрально настраиваемых наночастиц апконверсии (UCNPs), которые эффективно обеспечивают механизм передачи лучистой энергии.

В частности, UCNPs, состоящие из фторида натрия-иттрия, легированного различными ионами лантаноидов, действуют как нанометровые преобразователи, преобразующие NIR-свет в УФ/видимые фотоны. При поглощении молекулярными моторами эти фотоны запускают однонаправленное вращательное движение способом, сравнимым с прямым возбуждением УФ/видимым светом.

Серия экспериментальных результатов на молекулярных моторах демонстрирует эффективность этой стратегии в замене прямого УФ/видимого облучения. Она особенно полезна в биологических условиях, требующих глубокого проникновения света и сниженной фототоксичности, а также в чувствительных к УФ/видимому свету системах, таких как объёмные твёрдые тела. Кроме того, не требуется сложной предфункционализации молекул.

По словам команды, этот подход демонстрирует высокую универсальность и широту применения в активации молекулярных моторов с помощью NIR-света. Это открывает значительный потенциал для практического применения молекулярных машин в динамических и «умных» материалах, особенно в биологической области.

Больше информации: Jinyu Sheng et al, Highly Efficient Near-Infrared Light-Driven Molecular Motor Rotation Enabled by Upconversion Nanoparticles as Nanoscale Light Sources, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07953

Источник: University of Amsterdam