Sikke en tur! Forskere tager molekyler for en tur (med video)

(PhysOrg.com) -- Kolomeisky og Rice-kandidatstuderende Alexey Akimov har taget et stort skridt i retning af at definere adfærden af ​​disse molekylære hvirvler med en ny artikel i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C. Gennem simuleringer af molekylær dynamik, de definerede grundreglerne for rotorbevægelsen af ​​molekyler knyttet til en guldoverflade.

"Dette er ingen tegneserie. Det er et rigtigt molekyle, med alle interaktioner, der foregår korrekt, " sagde Anatoly Kolomeisky, da han viste en animation af atomer, der snoede og drejede om et centralt knudepunkt, som en karnevalstur, der blev gal.

Kolomeisky, en lektor i kemi ved Rice University, tilbød et kig ind i en molekylær halvvejs, hvor atomer dypper, dykke og svæve efter et sæt regler, han er fast besluttet på at afkode.

Kolomeisky og Rice -kandidatstuderende Alexey Akimov har taget et stort skridt mod at definere adfærden for disse molekylære hvirvler med et nyt papir i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C . Gennem molekylær dynamiksimuleringer, de definerede grundreglerne for rotorbevægelsen af ​​molekyler knyttet til en guldoverflade.

Det er en forlængelse af deres arbejde med Rices berømte nanocars, udviklet primært i James Tours laboratorium, Rice's T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik og materialevidenskab og i datalogi, men som Kolomeisky også har konstrueret molekylære modeller for.

Slår ud i en anden retning, holdet har afkodet flere nøglekarakteristika ved disse små rotorer, som kunne rumme spor til de måder, hvorpå molekylære motorer i menneskekroppe fungerer.

Bevægelsen, de beskrev, findes overalt i naturen, sagde Kolomeisky. Det mest synlige eksempel er i flageller af bakterier, som bruger en simpel rotorbevægelse til at bevæge sig. "Når flagellerne drejer med uret, bakterierne bevæger sig fremad. Når de drejer mod uret, de tumler. "På et endnu mindre niveau, ATP-syntase, som er et enzym vigtigt for overførslen af ​​energi i cellerne i alle levende ting, udviser lignende rotoradfærd-en nobelprisvindende opdagelse.

At forstå, hvordan man bygger og kontrollerer molekylære rotorer, især i multipler, kunne føre til nogle interessante nye materialer i den fortsatte udvikling af maskiner, der kan arbejde på nanoskala, han sagde. Kolomeisky forudser, for eksempel, radiofiltre, der kun ville lade et meget finjusteret signal passere, afhængig af nanorotorernes frekvens.

"Det ville være ekstremt vigtigt, selvom det er dyrt, materiale at lave, " sagde han. "Men hvis jeg kan skabe hundredvis af rotorer, der bevæger sig samtidigt under min kontrol, Jeg vil være meget glad."

Professoren og hans studerende reducerede antallet af parametre i deres computersimulering til en delmængde af dem, der interesserede dem mest, Sagde Kolomeisky. Grundmodellens molekyle havde et svovlatom i midten, tæt bundet til et par alkylkæder, som vinger, der var i stand til at dreje frit, når de blev opvarmet. Svovlen forankrede molekylet til guldoverfladen.

Mens han arbejdede på et tidligere papir med forskere ved Tufts University, Kolomeisky og Akimov så fotografiske beviser for rotorbevægelse ved at scanne tunnelmikroskopbilleder af svovl/alkyl-molekyler opvarmet på en guldoverflade. Da varmen steg, billedet gik fra lineært til rektangulært til sekskantet, indikerer bevægelse. Hvad billederne ikke angav, var hvorfor.

Det var her, computermodellering var uvurderlig, både på Kolomeisky laboratoriets egne systemer og gennem Rices SUG@R platform, en delt supercomputerklynge. Ved at teste forskellige teoretiske konfigurationer - nogle med to symmetriske kæder, nogle asymmetriske, nogle med kun én kæde -- de var i stand til at bestemme et sæt af sammenlåsende karakteristika, der styrer opførselen af ​​enkeltmolekylære rotorer.

Først, han sagde, symmetrien og strukturen af ​​guldoverfladematerialet (hvoraf flere typer blev testet) har stor indflydelse på en rotors evne til at overvinde energibarrieren, der forhindrer den i at rotere hele tiden. Når begge arme er tæt på overflademolekyler (som afviser), barrieren er stor. Men hvis den ene arm er over et mellemrum - eller hul - mellem guldatomer, barrieren er væsentligt mindre.

Sekund, symmetriske rotorer spinner hurtigere end asymmetriske. Den længere kæde i et asymmetrisk par tager mere energi for at komme i bevægelse, og dette forårsager en ubalance. I symmetriske rotorer, kæderne, som stive vinger, kompensere for hinanden, da den ene vinge dypper ned i en hul, mens den anden stiger over et overflademolekyle.

Tredje, Kolomeisky sagde, arten af ​​den kemiske binding mellem ankeret og kæderne bestemmer rotorens frihed til at rotere.

Endelig, roterende gruppers kemiske karakter er også en vigtig faktor.

Kolomeisky sagde, at forskningen åbner en vej til simulering af mere komplekse rotormolekyler. Kæderne i ATP-syntase er alt for store til, at en simulering kan skændes, "men efterhånden som computere bliver mere kraftfulde og vores metoder forbedres, vi kan en dag være i stand til at analysere så lange molekyler, " han sagde.