Gyroskopmolekyler danner krystal, der er både fast og fuld af bevægelse

Molekylære maskiner, meget mindre end enkeltceller, kan en dag være i stand til at levere medicin til at dræbe kræftceller eller patruljere din krop for tegn på sygdom. Men mange anvendelser af disse maskiner kræver store arrays af stenhårde bevægelige dele, hvilket ville være svært at bygge med typiske biologiske strukturer.

Molekyler, der udgør de faste krystaller, der findes i naturen, er generelt så tæt pakket sammen, at der ikke er plads til, at nogen af ​​dem kan bevæge sig. Så trods deres styrke og holdbarhed, faste krystaller er generelt ikke blevet overvejet til applikationer i molekylære maskiner, som skal have bevægelige dele, der kan reagere på stimuli.

Nu, UCLA -forskere har dannet en krystal ud af molekyler, der ligner gyroskoper med faste rammer. Da hvert molekyle har et ydre tilfælde, der omgiver en roterende akse, krystallen har et solidt ydre, men indeholder bevægelige dele.

Den nye krystal, beskrevet i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences , er det første bevis på, at et enkelt materiale kan være både statisk og bevægeligt, eller amfidynamisk.

"For første gang, vi har et krystallinsk fast stof med elementer, der kan bevæge sig så hurtigt inde i krystallen, som de ville gøre i det ydre rum, "sagde Miguel García-Garibay, en UCLA -professor i kemi og biokemi og seniorforfatter af undersøgelsen.

For at oprette gentagne arrays af molekylære maskiner, eller smarte materialer, forskere har ofte vendt sig til flydende krystaller, som er konstrueret til brug i LCD -tv -skærme, men også findes i naturen. Men flydende krystaller er relativt langsomme:Hvert molekyle skal helt ændre retning for at ændre, hvordan det interagerer med lys, for at ændre farve eller vise et nyt billede på en skærm, for eksempel.

García-Garibay og kolleger satte sig for at designe et krystallinsk fast stof med hurtigere bevægelige dele. Som udgangspunkt, de betragtede større, dagligdags genstande, som de måske kan replikere i mikroskopisk skala.

"To objekter, vi fandt meget interessante, var kompasser og gyroskoper, "sagde García-Garibay, som også er dekan for fysiske videnskaber i UCLA College. "Vi begyndte at skabe store modeller; jeg bestilte bogstaveligt talt et par hundrede legetøjskompasser og begyndte at bygge strukturer ud af dem."

Der var to nøgler til at efterligne et kompas eller gyroskop i mindre skala, fandt forskerne. Først, strukturens ydre etui skulle være stærk nok til at bevare sin form omkring det meste tomme rum. Sekund, den indvendige roterende komponent skulle være så tæt på sfærisk som muligt.

Efter noget forsøg og fejl, teamet designede en struktur, der fungerede:en metallo-organisk kasse, der indeholder både metalioner og en kulstofstamme, der omgiver et sfærisk molekyle kaldet bicyclooctan. I forsøg, den resulterende forbindelse - 1, 4-bicyclo [2.2.2] octandicarboxylsyre, en metal-organisk ramme, som forskerne kaldte BODCA-MOF-opførte sig som et amfidynamisk materiale.

Ikke kun det, men computersimuleringer af krystallen bekræftede, hvad eksperimenterne viste:de konstant roterende BODCA-kugler roterede hver med op til 50 milliarder rotationer pr. sekund, så hurtigt som de ville have i tomt rum, om de roterede med eller mod uret.

"Vi var i stand til at bruge fysikens ligninger til at validere de bevægelser, der forekom i denne struktur, "sagde Kendall Houk, UCLA's Saul Winstein professor i organisk kemi og en af ​​papirets forfattere. "Det er en fantastisk opdagelse, at du kan have ekstremt hurtige bevægelser inde i denne ting, der udadtil er som en sten."

Efter at have bevist, at en sådan forbindelse kan eksistere, forskerne planlægger nu at prøve at introducere nye ejendomme i BODCA-MOF, der ville tillade en elektrisk, magnetisk eller kemisk stimulus for at ændre molekylernes bevægelse.

"Det endelige mål er at være i stand til at kontrollere bevægelse i disse molekylære maskiner, så vi kan skabe materialer, der reagerer på eksterne stimuli, "Sagde García-Garibay. Det kan føre til hurtigere computere og elektroniske skærme, han tilføjede, eller teknologier, der interagerer med radar, ekkolod eller kemikalier.

"Med så lave barrierer for rotation, resultaterne markerer betydelige fremskridt mod frit roterende molekylære komponenter indlejret i en krystallinsk matrix, og mod potentiel funktionalitet, "sagde Stuart Brown, en UCLA -professor i fysik og astronomi, og en anden forfatter til papiret.