Understanding and development of molecular machines on a microscopic level

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Rotaxane sind Prototypen für molekulare Maschinen und molekulare Schalter. Die submolekulare Bewegung großer Amplitude zwischen zwei mechanisch miteinander verknüpften Molekülen kann durch äußere Anregung, z. B. durch den pHWert oder durch Licht, kontrolliert werden. Ziel dieses Projektes ist es, diesen Prozess auf mikroskopischer Ebene zu verstehen und zu einem besseren Design von neuen molekularen Maschinen beizutragen. Hierzu untersuchen wir die Thermodynamik und Kinetik der Shuttle-Bewegung eines Rotaxans mit zwei Andockstellen zum ersten Mal mit First-Principles-Methoden. Molekulardynamik-Simulationen und eine quantenchemische Analyse von Wasserstoffbrücken und Multipol-Wechselwirkungen geben einen Einblick in den Mechanismus. Auf Grundlage dieser Ergebnisse ist es möglich, den Einfluss verschiedener Effekte wie z. B. Substitution mit verschiedenen funktionellen Gruppen oder molekularer Flexibilität auf die Shuttle-Bewegung zu verstehen. Wir möchten Verbesserungen für existierende Systeme und neue molekulare Schalter auf Rotaxan-Basis vorschlagen.