Meisterung der Nicht-Gleichgewichtsassemblierung und -operation molekularer Maschinen

In mechanisch miteinander verbundenen Verbindungen, wie Rotaxanen und Catenanen, werden die Moleküle durch mechanische statt chemische Bindungen zusammengehalten. Diese Verbindungen können so konstruiert werden, dass sie mehrere gut definierte mechanische Zustände aufweisen, indem Erkennungsstellen zwischen den verschiedenen Komponenten integriert werden. Die Raten der Übergänge zwischen den Erkennungsstellen können durch das Einführen sterischer "Tempolimits" oder elektro-statisch schaltbarer Tore kontrolliert werden. Ein Mechanismus zur Absorption von Energie kann auch durch das Hinzufügen von fotoaktiven, katalytisch aktiven oder redox-aktiven Erkennungsstellen oder sogar von Ladungen und Dipolen aufgenommen werden. Im Gleichgewicht unterlaufen diese Mechanically Interlocked Molecules (MIMs) thermisch aktivierte Übergänge kontinuierlich zwischen ihren verschiedenen mechanischen Zuständen, wobei jeder Übergang so wahrscheinlich ist wie sein mikroskopisches Gegenteil. Externe Energie, beispielsweise Licht, externe Modulation der chemischen und/oder physikalischen Umgebung oder Katalyse einer exergonischen Reaktion, treibt das System vom Gleichgewicht weg. Die Absorption von Energie aus diesen Prozessen kann genutzt werden, um einige Übergänge zu begünstigen und andere zu unterdrücken, sodass der Abschluss eines mechanischen Zyklus in eine Richtung, in der Arbeit an der Umgebung verrichtet wird - das Erfordernis einer molekularen Maschine - wahrscheinlicher ist als der Abschluss in eine Richtung, in der Arbeit aus der Umgebung absorbiert wird. In diesem Tutorial Review erörtern wir die verschiedenen Designprinzipien, nach denen molekulare Maschinen konstruiert werden können, um verschiedene Energiequellen zu nutzen, um Selbstorganisation und das Verrichten von Arbeit in ihren Umgebungen durchzuführen.