光驱动分子马达是一类能够将光能转化成分子运动的机械能并实现单向转动的分子器件，最早由 2016 年诺贝尔化学奖得主格罗宁根大学 Ben Feringa 教授团队合成。光驱动分子马达已经在药物传输、纳米机器人、智能材料等领域展现应用价值。常规光驱动分子马达的一个工作周期往往包含两个光致异构化过程和两个热致异构化过程。热致异构化过程比光致异构化过程慢的多，且反应发生的温度较高，因此降低了光驱动分子马达的转动速率，限制了光驱动分子马达在低温下的应用。设计工作周期中不含有热致异构化过程的光驱动分子马达是当前分子马达领域的研究前沿，对于拓宽光驱动分子马达的应用范围也非常重要。

图1. 传统四步光驱动分子马达与两步全光分子马达工作原理对比

基于此，来自西安交通大学物理学院的蒋臣威副教授及其团队在International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 期刊发表了文章，介绍了他们从理论上设计的一种工作周期只包含两个光致异构化过程的全光分子马达，并研究了温度对该全光分子马达运动过程的影响。该项研究对于新型高效光驱动分子马达的设计具有重要意义。

研究过程与结果

通过调整分子马达定子和转子间的空间排斥作用，作者在文中设计了一种光驱动分子马达2-(1,5-dimethyl-4,5-dihydrocyclopenta[b]pyrrol-6(1H)-ylidene)-1,2-dihydro-3H-pyrrol-3-one。该分子马达具有四个稳定构型 (EP，ZM，ZP和EM，见下图)，处于基态EP构型的分子被光激发后将发生逆时针转动，在锥形交叉结构 (CI) 附近退激发并到达 ZM 构型。由于 ZM 与 ZP 构型间的势垒非常低 (小于 0.2 kcal/mol，传统光驱动分子马达的热致异构化势垒通常在 10 kcal/mol 以上)，分子马达将迅速从 ZM 构型运动到 ZP 构型。再经过一个类似的 ZP→EP 反应，分子马达将完成一个完整的运动周期，回到最初的反应物 EP 构型。利用基于 OM2/MRCI 理论的轨迹面跳跃方法，作者采用非绝热分子动力学模拟研究了该分子马达的 EP→ZP 和 ZP→EP 异构化过程，发现上述两个光致异构化过程都能够在 200-300fs 内完成，并证实了上述反应即使在低温下仍可迅速发生。

图2. 新设计的两步全光分子马达的工作原理

作者还研究了温度对该全光分子马达的异构化过程的影响。在室温下，该分子马达的 EP→ZP 和 ZP→EP 异构化反应的逆时针转动比例分别约为 74%和 72%。通过降低环境温度，上述异构化反应的逆时针转动比例将逐步提升至接近 100%，但反应发生所需时间以及反应的量子产率却几乎不受影响。

图3.温度对新设计全光分子马达光致异构化过程的转动单向性的影响

研究总结

本文采用电子结构计算方法从理论上设计了一种只需要光致异构化过程的全光分子马达，并采用非绝热动力学模拟研究了该分子马达的两个光致异构化过程的反应机理，研究发现其光致异构化过程反应非常迅速 (约 200-300 fs)，并证实了该全光分子马达可以在低温下工作。通过比较不同温度下的光致异构化过程，研究发现降低温度能够显著提升该全光分子马达的单向转动比例，但对反应所需时间以及反应量子产率的影响却可以忽略不计。

本文的研究结果不仅提供了一种全光分子马达的理论设计，还提供了一种提升分子马达的单向转动比例的物理方法，对于未来新型高效光驱动分子马达的设计具有重要意义。

原文出自 IJMS 期刊

Ma, J.; Zhao, D.; Jiang, C.; Lan, Z.; Li, F. Effect of Temperature on Photoisomerization Dynamics of a Newly Designed Two-Stroke Light-Driven Molecular Rotary Motor. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 9694.

原文链接：https://www.mdpi.com/1797122

IJMS 期刊介绍

主编：Maurizio Battino, Marche Polytechnic University, Italy

期刊发表生物化学与分子生物学、生物材料、生物物理、生物医学、化学和纳米科学等分子相关领域研究，已被 Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed 等数据库收录。

2021 Impact Factor：6.208

2021 CiteScore：6.9

Time to First Decision：16 Days

Time to Publication：34 Days