光镊揭示分子穿梭中的前后运动是对称的

在分子梭中，一个环状分子被拧到一条线性分子链上，可以在链的两个部分（称为站）之间移动，以响应外部刺激。化学刺激、光或机械力决定了航天飞机通过随机热运动来回跳跃时在每个站花费的时间。在这种合成装置的操作过程中测量单个轨迹对于彻底了解其操作和优化分子机器至关重要

由Emilio pérez和Borja Ibarra领导的IMDEA Nanociencia的研究人员使用光镊测量了机械平衡下两个站之间分子穿梭的单个过渡路径。他们的结果表明，过渡路径时间呈现宽分布，同时保持时间反转对称性

研究人员与Raymond Astumian教授（美国缅因大学）合作，通过实验证实了过渡路径时间显示出对称性。也就是说，航天飞机在能量分布图上上升和下降所花费的时间相同

数据分析表明，转变的平均值是相同的，正向和反向反应的形状相似。穿梭机在两个站之间的每一步都花费相同的时间，与换档方向无关。过渡路径时间分布的这种对称性根据微观可逆性原理得到了证实

微观可逆性表明，在分子水平上，每个过程及其逆过程在平衡状态下以相同的概率发生。这是统计力学中一个非常成熟的原理，但很难通过实验来测量，因为它涉及跟踪单个分子的轨迹

分子穿梭涉及通过高能过渡态，在稳定态之间形成能量屏障。通过这些状态的过渡路径的属性包含了关于穿梭过程的所有基本力学信息

到目前为止，过渡路径已经在理论上进行了研究，但它们的短寿命（毫秒级）及其内在的随机性阻碍了它们在实验上的直接观察。这里报告的结果首次对分子梭的微观可逆性原理进行了实验研究

这项研究为详细定量了解合成分子机器的动力学铺平了道路。由于实验装置的极高分辨率和灵敏度，这是可能的

光镊具有在皮牛顿力范围内精确测量和控制分子器件的能力。早在2018年，研究人员Pérez和Ibarra就跟踪了分子穿梭机的位置整整五分钟。然后，他们专注于航天飞机在每个站上花费了多少时间

现在，他们专注于这段旅程，对过渡路径、分子的完整轨迹（位置与时间）进行了彻底的分析，提取了沿线的能量分布

分子梭领域与纳米技术在寻求纳米级电子元件方面有关，也与生物学有关，在生物学中，许多生物功能都基于分子梭。这项研究是在水中进行的，这一优势推动了将该设备用于生物技术应用的可能性

分子机器的例子很多：可编程分子开关和传感器、药物输送系统的纳米阀、自适应生物材料、分子肌肉等。Feringa、Sauvage和Stoddart在2016年获得的诺贝尔化学奖已经承认，分子机器的发展具有巨大的潜力

最近发表在《化学》杂志上的这项研究为探索穿梭过程中事件的时间序列铺平了道路，并研究了在能源景观中采取多种路径的可能性。本研究揭示的信息将指导高效分子开关和电机的合理设计，为纳米技术和生物医学应用提供量身定制的响应 More information: Tomás Nicolás-García et al, Transition-path times of individual molecular shuttles under mechanical equilibrium show symmetry, Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2024.102410

Journal information: Chem