在他们对旋转分子马达的研究中，格罗宁根大学Ben Feringa实验室的研究人员将两种光介导的功能--运动和荧光--结合在一个分子中。据研究人员称，这一进展将有利于先进分子机器的构建，并为实现光活性多功能系统提供了前景，该系统可在复杂环境中进行分子旋转运动并跟踪其位置。

旋转分子马达是分子机器，它可以被光激活并用于驱动人工机械分子系统，实现自主运动，特别是在纳米级。这些机器可以在复杂的生物环境中发挥作用，如血管和细胞的内部。它们还为设计响应性材料提供了机会。

Feringa领导的团队开发了两种方法，将运动和荧光结合在一个单一的分子中。

据费林加称，他在1999年开发了旋转分子马达，并因该技术获得了2016年诺贝尔化学奖，下一步继续开发分子马达的一个重要步骤是利用马达本身来控制其各种功能和特性。

"由于这些是以光为动力的旋转马达，因此设计一个除了旋转运动之外还能有另一种由光能控制的功能的系统特别具有挑战性，"费林加说。

Feringa和他的团队对荧光感兴趣，荧光被广泛用于检测，如生物医学成像。该团队的成就克服了同一分子中不相容的光化学事件--运动和荧光--的问题。通常在这种情况下，要么是光驱动的马达运转而没有荧光，要么是有荧光而马达不运转。

在开发工作中的第一个系统时，研究人员Ryojun Toyoda将一个荧光染料添加到一个旋转马达中。丰田说："诀窍是防止这两种功能相互阻断，"。

丰田通过将一个染料垂直于它所连接的电机的上部来淬灭染料和电机之间的直接互动。这限制了相互作用，并表明以这种方式，荧光和马达的旋转功能可以共存。

此外，改变溶剂使Toyoda能够调整该系统。"他说："通过改变溶剂的极性，可以改变两种功能之间的平衡。这意味着马达对其环境变得敏感，这可能为未来的应用指明了方向。

不同的染料也可以附着在马达分子上，只要它们有类似的结构。"丰田说："因此，创造出以不同颜色发光的马达是相对容易的。

研究员Lukas Pfeifer表示，研究人员在已经构建的一个由两个低能量的近红外光子驱动的马达的基础上，制造了他们的第二个荧光马达。由近红外光驱动的马达在生物系统中很有用，因为这种光比可见光更深入组织，而且对组织的伤害比紫外线小。Pfeifer在马达分子上添加了一个天线，收集两个红外光子的能量并将其转移到马达上。

"Pfeifer说："在研究这个的时候，我们发现经过一些修改，这个天线也可以引起荧光。该团队最终确定，该分子可能有两种不同的激发状态。在一种状态下，能量被转移到马达部分并驱动旋转。另一种状态导致分子发出荧光。

Ben Feringa小组的研究人员使用两种设计在光驱动的分子马达中实现了双重功能，包括荧光。其中一个马达是通过化学方法将一个天线连接到分子马达上而制备的。使用不同波长的光可以控制旋转和光致发光。由Lukas Pfeifer提供。

Maxim Pshenichniko教授对两种类型的荧光马达进行了光谱分析。根据Pshenichniko的说法，第二种马达是一个化学实体，其上的波函数没有被定位。此外，根据能量水平的不同，这种马达可以产生两种不同的效果。通过改变光的波长，以及作为一个结果，分子接受的能量，该马达提供旋转或荧光。

这项工作的下一步将是通过追踪荧光来显示运动性并同时检测分子的位置。Feringa说："这非常强大，我们可能会应用它来显示这些马达如何穿越细胞膜或在细胞内移动，因为荧光是一种广泛使用的技术，可以显示分子在细胞中的位置。我们还可以用它来追踪由光动力马达诱导的运动，例如在纳米级的轨迹上，或者也许追踪马达诱导的纳米级运输。"

这项研究发表在《自然通讯》（www.doi.org/10.1038/s41467-022-33177-0）和《科学进展》（www.doi.org/10.1126/sciadv.add0410）上。