Ingeniører manipulerer en buckyball ved at indsætte et enkelt vandmolekyle

(Phys.org) —Columbia Engineering -forskere har udviklet en teknik til at isolere et enkelt vandmolekyle inde i en buckyball, eller C ₆₀ , og at drive bevægelse af den såkaldte "store" upolære kugle gennem den indkapslede "lille" polære H ₂ O molekyle, en styrende transportmekanisme i en nanokanal under et eksternt elektrisk felt. De forventer, at denne metode vil føre til en række nye applikationer, herunder effektive måder at kontrollere lægemiddellevering og at samle C ₆₀ -baserede funktionelle 3D-strukturer på nanoskala niveau, samt udvide vores forståelse af enkeltmolekyleegenskaber. Undersøgelsen blev offentliggjort som et "Physics Focus" i 12. april -udgaven af Fysiske anmeldelsesbreve .

"Buckyballs, mere formelt kendt som Buckminsterfullerenes, eller fullerener, er sfæriske, hule molekylære strukturer lavet af 60 kulstofatomer, med størrelsen ~1 nm-6, 000-8, 000 gange mindre end et almindeligt rødt blodlegeme – og, på grund af deres meget symmetriske struktur, meget hydrofob kerne, kovalente ikke-polære bindinger, og endnu vigtigere, relativt ikke-toksicitet for menneskekroppen, de er en perfekt beholder til lægemiddelmolekyler, " forklarer Xi Chen, lektor i jord- og miljøteknik, der ledede forskningen. Han og hans team mener, at deres arbejde er det første forsøg på at manipulere et ikke-polært molekyle (C ₆₀ ) eller struktur af et indsat polært molekyle (H ₂ O).

Chen siger, at hans resultater kan åbne en ny måde at kontrollere og levere et ikke-polært "stort" molekyle som C ₆₀ gennem det indkapslede "lille" polære molekyle som H ₂ O. Dette kan føre til vigtige applikationer inden for nanoteknologi og bioteknologi, herunder levering af lægemidler, hvor forskere kan "fange" de polare lægemiddelmolekyler inde i en hul struktur og derefter guide dem til deres mål.

Og, fra et grundlæggende synspunkt, han håber, at de isolerede, indkapslet enkelt molekyle, ligesom H ₂ O en i sit arbejdsværelse, vil give en vigtig platform til at afsløre og undersøge iboende egenskaber ved et enkelt molekyle, fri for omgivelserne.

"Brintbindingernes vigtige rolle i vandets egenskaber, som overfladespænding og viskositet, og de præcise vekselvirkninger mellem et enkelt vandmolekyle og hydrogenbindinger, er stadig uklare, "Chen bemærker, "så vores nye teknik til at isolere et enkelt vandmolekyle fri for hydrogenbindinger giver mulighed for at besvare disse spørgsmål."

Siden opdagelsen af ​​C ₆₀ i 1980'erne, forskere har forsøgt at løse udfordringen med at kontrollere et enkelt C ₆₀ . Adskillige mekaniske strategier, der involverer AFM (atomic force microscopy), er blevet udviklet, men disse er dyre og tidskrævende. Evnen til at køre en enkelt C ₆₀ gennem et enkelt eksternt kraftfelt, såsom et elektrisk eller magnetisk felt, ville være et stort skridt fremad.

I Columbia Engineering-studiet, fandt forskerne ud af, når de indkapslede et polært molekyle i en ikke-polær fulleren, de kunne bruge et eksternt elektrisk felt til at transportere molekyle@fulleren-strukturerne til ønskede positioner og justere transporthastigheden, så både leveringsretning og tid var kontrollerbar. Chens team kom på ideen for et år siden, og bekræftede deres overraskende resultater gennem omfattende atomistiske simuleringer.

Chen planlægger at udforske flere egenskaber ved H ₂ O@C ₆₀ molekyle og andre lignende strukturer, og at fortsætte med at undersøge interaktionen og kommunikationen af ​​det indkapslede enkelt vandmolekyle med dets omgivelser.

"Studerer kommunikationen mellem et fængslet enkelt vandmolekyle med dets ydre miljø, såsom tilstødende molekyler, " tilføjer han, "er som at lære, hvordan en person, der sidder inde i et værelse, får forbindelser med venner udenfor, selektivt efter behov (dvs. med kontrol) eller tilfældigt (uden kontrol) gennem, sige, over telefonen."