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荷兰格罗宁根大学Ben Feringa实验室的研究人员在进行旋转分子马达的研究时，将运动和荧光两种光特性集成在了单个分子中。研究人员称，这一成果将助推先进分子机器的研发，并为能在复杂环境中进行分子旋转运动、同时精准定位的光控多功能系统奠定了基础。
旋转分子马达是一种分子机器，具有光敏特性，能够为人工机械分子系统提供动力，也能进行自主运动，尤其适用于纳米尺度。这类机器能够在血管和细胞内部等复杂生物环境中工作。分子马达还有望应用于智能响应性材料中。
Feringa领导的团队开发了两种将运动和荧光结合在单个分子中的方法。
Feringa在1999年发明了旋转式分子马达，并因此获得了2016年诺贝尔化学奖。他说，分子马达研发图景的重要一步是利用马达本身来对其各种功能和特性进行控制。Feringa说：“由于这些马达本身就是受光控制运动，因此设计一个除了旋转之外、还兼有其他光控功能的系统尤为困难。”
Feringa及其团队选择了荧光特性作为马达的第二功能，荧光常被用于生物医学成像等检测技术中。该团队此次的研究成果解决了同一分子内、两个光化学事件（即运动和荧光）不相容的问题，通常情况下，要不就是光能驱动马达工作、但马达没有荧光特性，要不就是出现了荧光、但是马达无法工作。
这种马达的第一种构造方法中，研究人员Ryojun Toyoda在旋转马达上添加了一种荧光染料。他说：“关键是避免荧光和旋转两种功能对彼此造成阻碍。”
Toyoda通过将染料分子垂直放置在分子马达上方，抑制了荧光染料分子和马达之间的直接相互作用。结果证明马达的荧光和旋转功能实现了共存。
此外，Toyoda通过改变溶剂、实现了对系统的微调。“改变溶剂极性可以改变两种功能之间的平衡，”他说。这意味着马达同时兼具了对环境的敏感性，进一步具有了下一步应用潜力。
结构相似的不同染料都可以被添加在马达分子上，Toyoda说：“因此，我们能轻松制造出发出不同颜色光的马达。”
研究人员Lukas Pfeifer说，在一个已建成的由两个低能量近红外光子驱动的马达基础上，他们建成了第二个荧光马达。近红外光驱动的马达在生物系统中能够发挥巨大作用，因为与可见光相比，近红外光可穿透组织深度更深，且对组织的伤害比紫外线要小。Pfeifer在马达分子上增加了一个天线，用于收集两个红外光子的能量并将其传输给马达。
Pfeifer说：“在研究过程中发现，通过调整能让天线发出荧光。”该团队最终确定，天线分子可能有两种不同的激发态：在一种状态下，能量被转移到马达部分并驱动旋转；而另一种状态使分子发出荧光。
图1 Ben Feringa团队的研究人员通过两种不同设计，实现了同时兼具光驱动旋转和荧光两种功能的分子马达。其中一种马达是通过化学方法将天线连接到分子马达上制成的。旋转和光致发光能用不同波长的光来控制
Maxim Pshenichniko教授对这两种不同类型的荧光马达进行了光谱分析。Pshenichniko说，第二种马达是一种波函数离域的分子结构，根据吸收能量水平不同、这一马达会产生两种不同的效果。通过改变光的波长能够改变分子所接收的能量，马达能够实现旋转或荧光两种不同功能。
下一步的工作将是在实现分子马达运动的同时，通过追踪荧光来即时显示分子位置。Feringa说：“这一功能是非常强大的。因为荧光常被用于显示分子在细胞中的位置，因此我们将能展示马达是如何穿过细胞膜或者在细胞内移动的；我们能用其追踪光驱动马达运动，比如在纳米尺度轨迹上的运动，或者在纳米尺度上追踪马达的传输。”
此项研究详见Nature Communications：www.doi.org/10.1038/s41467-022-33177-0及Science Advances www.doi.org/10.1126/sciadv.add0410。
