Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021, 12 (2), 124-134.

Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.124

M. L. Dekhtyar, V. M. Rozenbaum, N. G. Shkoda, M. I. Ikim

Анотація


Виведено симетрійні умови виникнення ретчет-ефекту в броунівських фотомоторах. Із цією метою операції просторово-часової симетрії при векторних перетвореннях, зсувах координат і часу та в режимі надзатухання застосовувалися до середньої швидкості фотомотора, що розглядалася як функціонал потенціальної енергії, залежної від координати й часу. Встановлено, що окремі броунівські частинки (молекули) можуть рухатися спрямовано лише за умови флуктуацій у них симетрично розподіленого заряду і їхнього розміщення на підкладках із антисиметричним розподілом заряду, або, навпаки, вони характеризуються флуктуаціями антисиметрично розподіленого заряду і розміщуються на симетричних підкладках. Колективний спрямований рух усереднених за орієнтаціями частинок можливий лише в першому випадку. Якщо розподіл заряду частинок описується залежністю від часу з універсальним типом симетрії (тобто одночасно симетричною, антисиметричною та зсувно-симетричною), виникає додаткове симетрійне обмеження функціонування ретчета: ретчет-ефект унеможливлюється в режимі надзатухання, але допускається для інерційних рухомих частинок, якщо розподіл заряду як у частинці, так і в підкладці не є ані симетричним, ані антисиметричним.

Ефект універсального типу симетрії ілюструється на прикладі дипольних фотомоторів, отриманих із донорно-акцепторних супряжених органічних молекул. При особливому типі молекулярного фотозбудження та особливому співвідношенні дипольних моментів у основному та збудженому станах ретчет-ефект стає забороненим за симетрією. Заборону можна усунути за допомогою ефектів молекулярної поляризації, які в цьому випадку стають переважаючим фактором, що визначає напрямок руху та середню швидкість фотомоторів. Оцінені швидкості поляризаційних фотомоторів на порядок більші, ніж для відомих моторних білків і дипольних броунівських фотомоторів. Ці результати можуть бути корисними у цілеспрямованому молекулярному дизайні дипольних фотомоторів.


Ключові слова


молекулярні пристрої; ретчет-ефект у броунівських фотомоторах; обмеження за симетрією; донорно-акцепторні системи; поляризаційні ефекти

Посилання


Huxley F. Muscle structure and theories of contraction. Prog. Biophys. Biophys. Chem. 1957. 7: 255.

Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics. (Addison–Wesley: Reading, 1963).

Quastel J.H. Molecular transport at cell membranes. Proc. R. Soc. 1965. B 163: 169.

Sauvage J.-P., Dietrich-Buchecker C. (Eds.). Molecular Catenanes, Rotaxanes and Knots: A Journey through the World of Molecular Topology. (Wiley–VCH: Weinheim, 1999).

Michl J., Sykes E.C.H. Molecular rotors and motors: recent advances and future challenges. ACS Nano. 2009. 3(5): 1042.

Deng H., Olson M.A., Stoddart J.F., Yaghi O.M. Robust dynamics. Nat. Chem. 2010. 2: 439.

Kudernac T., Ruangsupapichat N., Parschau M., Macia B., Katsonis N., Harutyunyan S.R., Ernst K.-H., Feringa B.L. Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature. 2011. 479: 208.

Peplow M. The tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, switches and pumps. Nature. 2015. 525: 18.

Lau B., Kedem O., Schwabacher J., Kwasnieski D., Weiss E.A. An introduction to ratchets in chemistry and biology. Mater. Horiz. 2017. 4: 310.

Jülicher F., Ajdari A., Prost J. Modeling molecular motors. Rev. Mod. Phys. 1997. 69(4): 1269.

Astumian R.D. Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science. 1997. 276(5314): 917.

Reimann P. Brownian motors: Noisy transport far from equilibrium. Phys. Rep. 2002. 361(2–4): 57.

Krishnan R., Mahato M.C., Jayannavar A.M. Brownian rectifiers in the presence of temporally asymmetric unbiased forces. Phys. Rev. E. 2004. 70: 021102.

Hänggi P., Marchesoni F. Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Rev. Mod. Phys. 2009. 81: 387.

Cubero D., Renzoni F. Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nano-motors. (Cambridge: Cambridge University Press, 2016).

José Antonio Fornés Principles of Brownian and Molecular Motors. (Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2021).

Dekhtyar M.L., Ishchenko A.A., Rozenbaum V.M. Photoinduced molecular transport in biological environments based on dipole moment fluctuations. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(41): 20111.

Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Nonequilibrium molecular transport photoinduced by potential energy fluctuations. J. Chem. Phys. 2011. 134(4): 044136.

Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Symmetry interplay in Brownian photomotors: From a single-molecule device to ensemble transport. J. Chem. Phys. 2012. 137(12): 124306.

Rozenbaum V.M., Dekhtyar M.L., Lin S.H., Trakhtenberg L.I. Photoinduced diffusion molecular transport. J. Chem. Phys. 2016. 145(6): 064110.

Denisov S., Flach S., Hänggi P. Tunable transport with broken space–time symmetries. Phys. Rep. 2014. 538: 77.

Cubero D., Renzoni F. Hidden symmetries, instabilities, and current suppression in Brownian ratchets. Phys. Rev. Lett. 2016. 116(1): 010602.

Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of pulsating ratchets. JETP Lett. 2018. 107: 506.

Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of deterministic ratchets. Phys. Rev. E. 2019. 100(2): 022115.

Ikim M.I., Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M., Bugaev A.S., Trakhtenberg L.I. Symmetry of Brownian photomotors. Russ. J. Phys. Chem. B. 2020. 14: 332.

Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Symmetry rules for Brownian photomotors. MATCH Commun. Math. Comput. Chem. 2014. 71: 609.

Rozenbaum V.M. High-temperature Brownian motors: Deterministic and stochastic fluctuations of a periodic potential. JETP Lett. 2008. 88: 342.

Abe J., Shirai Y., Nemoto N., Nagase Y. Manipulation of dipole moment and hyperpolarizability based on heterocyclic pyridinium betaine structures: ab initio and INDO/S MO calculations. J. Phys. Chem. B. 1997. 101(10): 1910.

Pawlowska Z., Lietard A., Aloïse S., Sliwa M., Idrissi A., Poizat O., Buntinx G., Delbaere S., Perrier A., Maurel F., Jacques P., Abe J. The excited state dipole moments of betaine pyridinium investigated by an innovative solvatochromic analysis and TDDFT calculations. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. 13(29): 13185.

Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M., Trakhtenberg L.I. Polarization effects in organic dipole photomotors. Theor. Exp. Chem. 2019. 55: 232.

AMPAC 6.0 and AMPAC 6.55. (Shawnee, KS: Semichem, Inc., 1997).

Svoboda K., Schmidt C.F., Schnapp B.J., Block S.M. Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry. Nature. 1993. 365: 721.

Astumian R.D., Bier M. Fluctuation driven ratchets: Molecular motors. Phys. Rev. Lett. 1994. 72(11): 1766.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.124

Copyright (©) 2021 M. L. Dekhtyar, V. M. Rozenbaum, N. G. Shkoda, M. I. Ikim

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0