Kemikere rapporterer om ny indsigt om egenskaber af stof på nanoskala

UCLA nanovidenskabsforskere har fastslået, at en væske, der opfører sig på samme måde som vand i vores daglige liv, bliver så tung som honning, når den bliver fanget i en nanocage af et porøst fast stof. tilbyder ny indsigt i, hvordan stof opfører sig i nanoskalaen verden.

"Vi lærer mere og mere om stofs egenskaber på nanoskala, så vi kan designe maskiner med specifikke funktioner, " sagde seniorforfatter Miguel García-Garibay, dekan for UCLA Division of Physical Sciences og professor i kemi og biokemi.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet ACS Central Science .

Hvor lille er nanoskalaen? En nanometer er mindre end 1/1, 000 på størrelse med et rødt blodlegeme og omkring 1/20, 000 diameteren af ​​et menneskehår. På trods af mange års forskning udført af videnskabsmænd over hele verden, den ekstraordinært lille størrelse af stof på nanoskalaen har gjort det udfordrende at lære, hvordan bevægelse fungerer på denne skala.

"Denne spændende forskning, støttet af National Science Foundation, repræsenterer et skelsættende fremskridt inden for molekylære maskiner, " sagde Eugene Zubarev, en programdirektør ved NSF. "Det vil helt sikkert stimulere yderligere arbejde, både i grundforskning og virkelige anvendelser af molekylær elektronik og miniaturiserede enheder. Miguel Garcia-Garibay er blandt pionererne inden for dette felt og har en meget stærk rekord i høj-impact arbejde og banebrydende opdagelser."

Mulige anvendelser for komplekse nanomaskiner, der kunne være meget mindre end en celle, omfatter at placere et lægemiddel i en nanocage og frigive lasten inde i en celle, at dræbe en kræftcelle, for eksempel; transport af molekyler af medicinske årsager; at designe molekylære computere, der potentielt kan placeres inde i din krop for at opdage sygdom, før du er opmærksom på nogen symptomer; eller måske endda at designe nye former for stof.

For at opnå denne nye forståelse af stofs adfærd på nanoskala, García-Garibays forskningsgruppe designede tre roterende nanomaterialer kendt som MOF'er, eller metal-organiske rammer, som de kalder UCLA-R1, UCLA-R2 og UCLA-R3 ("r" står for rotor). MOF'er, nogle gange beskrevet som krystalsvampe, har porer - åbninger, der kan opbevare gasser, eller i dette tilfælde, væske.

At studere rotorernes bevægelse gjorde det muligt for forskerne at isolere den rolle, en væskes viskositet spiller på nanoskala. Med UCLA-R1 og UCLA-R2 optager de molekylære rotorer en meget lille plads og hindrer hinandens bevægelse. Men i tilfælde af UCLA-R3, intet bremsede rotorerne inde i nanocage undtagen væskemolekyler.

García-Garibays forskergruppe målte, hvor hurtigt molekyler roterede i krystallerne. Hver krystal har kvadrillioner af molekyler, der roterer inde i en nanocage, og kemikerne kender hvert molekyles position.

UCLA-R3 blev bygget med store molekylære rotorer, der bevæger sig under påvirkning af de viskøse kræfter, der udøves af 10 væskemolekyler fanget i deres omgivelser på nanoskala.

"Det er meget almindeligt, når man har en gruppe roterende molekyler, at rotorerne er hindret af noget i den struktur, som de interagerer med - men ikke i UCLA-R3, " sagde García-Garibay, medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "Designet af UCLA-R3 var vellykket. Vi ønsker at være i stand til at kontrollere viskositeten for at få rotorerne til at interagere med hinanden; vi ønsker at forstå viskositeten og den termiske energi til at designe molekyler, der viser særlige handlinger. Vi ønsker at kontrollere vekselvirkningerne mellem molekyler, så de kan interagere med hinanden og med eksterne elektriske felter."

García-Garibays forskerhold har arbejdet i 10 år med bevægelse i krystaller og design af molekylære motorer i krystaller. Hvorfor er dette så vigtigt?

"Jeg kan få et præcist billede af molekylerne i krystallerne, det præcise arrangement af atomer, uden usikkerhed, " sagde García-Garibay. "Dette giver et stort kontrolniveau, som sætter os i stand til at lære de forskellige principper, der styrer molekylære funktioner på nanoskala."

García-Garibay håber at designe krystaller, der udnytter lysets egenskaber, og hvis anvendelser kunne omfatte fremskridt inden for kommunikationsteknologi, optisk databehandling, sansning og fotonikområdet, som udnytter lysets egenskaber; lys kan have nok energi til at bryde og danne bindinger i molekyler.

"Hvis vi er i stand til at konvertere lys, som er elektromagnetisk energi, i bevægelse, eller konvertere bevægelse til elektrisk energi, så har vi potentialet til at gøre molekylære enheder meget mindre, sagde han. Der vil være mange, mange muligheder for, hvad vi kan gøre med molekylære maskiner. Vi forstår endnu ikke helt, hvad potentialet i molekylært maskineri er, men der er mange applikationer, der kan udvikles, når vi først udvikler en dyb forståelse af, hvordan bevægelse foregår i faste stoffer."

Medforfattere er hovedforfatter Xing Jiang, en UCLA kandidatstuderende i García-Garibays laboratorium, der i år afsluttede sin ph.d.; Hai-Bao Duan, en gæsteforsker fra Kinas Nanjing Xiao Zhuang Universitet, som brugte et år på at udføre forskning i García-Garibays laboratorium; og Saeed Khan, en UCLA-krystallograf i afdelingen for kemi og biokemi.