Moleculaire machines, veel kleiner dan enkele cellen, kan op een dag medicijnen afleveren om kankercellen te doden of je lichaam te patrouilleren op tekenen van ziekte. Maar veel toepassingen van deze machines vereisen grote reeksen keiharde bewegende delen, die moeilijk te bouwen zou zijn met typische biologische structuren.

Moleculen waaruit de vaste kristallen in de natuur bestaan, zijn over het algemeen zo dicht op elkaar gepakt dat er geen ruimte is voor een van hen om te bewegen. Dus ondanks hun sterkte en duurzaamheid, vaste kristallen zijn over het algemeen niet overwogen voor toepassingen in moleculaire machines, die bewegende delen moeten hebben die op prikkels kunnen reageren.

Nutsvoorzieningen, UCLA-onderzoekers hebben een kristal gevormd uit moleculen die lijken op gyroscopen met solide frames. Aangezien elk molecuul een buitenste omhulsel heeft dat een roterende as omgeeft, het kristal heeft een solide buitenkant maar bevat bewegende delen.

Het nieuwe kristal, beschreven in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences , is het eerste bewijs dat een enkel materiaal zowel statisch als bewegend kan zijn, of amfidynamisch.

"Voor de eerste keer, we hebben een kristallijne vaste stof met elementen die net zo snel in het kristal kunnen bewegen als in de ruimte, " zei Miguel García-Garibay, een UCLA hoogleraar scheikunde en biochemie en senior auteur van de studie.

Om repetitieve arrays van moleculaire machines te maken, of slimme materialen, onderzoekers hebben zich vaak tot vloeibare kristallen gewend, die zijn ontworpen voor gebruik in lcd-televisieschermen, maar die ook in de natuur voorkomen. Maar vloeibare kristallen zijn relatief traag:elk molecuul moet volledig van richting veranderen om de interactie met licht te veranderen. om van kleur te veranderen of een nieuwe afbeelding op een scherm te tonen, bijvoorbeeld.

García-Garibay en collega's wilden een kristallijne vaste stof ontwerpen met sneller bewegende delen. Als uitgangspunt, ze beschouwden groter, alledaagse voorwerpen die ze op microscopische schaal zouden kunnen nabootsen.

"Twee objecten die we erg interessant vonden, waren kompassen en gyroscopen, " zei García-Garibay, die ook decaan van de natuurwetenschappen is aan het UCLA College. "We begonnen grootschalige modellen te maken; ik bestelde letterlijk een paar honderd speelgoedkompassen en begon er constructies van te bouwen."

Er waren twee sleutels om een ​​kompas of gyroscoop op kleinere schaal na te bootsen, vonden de onderzoekers. Eerst, de buitenkant van de structuur moest sterk genoeg zijn om zijn vorm rond de grotendeels lege ruimte te behouden. Tweede, het inwendige roterende onderdeel moest zo bolvormig mogelijk zijn.

Na wat vallen en opstaan, het team ontwierp een structuur die werkte:een metallo-organische behuizing die zowel metaalionen als een koolstofruggengraat bevat rond een bolvormig molecuul genaamd bicyclo-octaan. Bij experimenten, de resulterende verbinding-1, 4-bicyclo[2.2.2]octaandicarbonzuur, een metaal-organisch raamwerk dat de onderzoekers BODCA-MOF noemden - gedroeg zich als een amfidynamisch materiaal.

Niet alleen dat, maar computersimulaties van het kristal bevestigden wat de experimenten lieten zien:de constant ronddraaiende BODCA-bollen roteerden elk met maximaal 50 miljard rotaties per seconde, zo snel als ze zouden hebben in de lege ruimte, of ze nu met de klok mee of tegen de klok in draaiden.

"We waren in staat om de vergelijkingen van de natuurkunde te gebruiken om de bewegingen te valideren die in deze structuur plaatsvonden, " zei Kendall Houk, UCLA's Saul Winstein hoogleraar organische chemie en een van de auteurs van het artikel. "Het is een verbazingwekkende ontdekking dat je extreem snelle bewegingen kunt maken in dit ding dat uiterlijk als een rots is."

Na bewezen te hebben dat zo'n verbinding kan bestaan, de onderzoekers zijn nu van plan om te proberen nieuwe eigenschappen in BODCA-MOF te introduceren die een elektrische, magnetische of chemische stimulus om de beweging van de moleculen te veranderen.

"Het uiteindelijke doel is om de beweging in deze moleculaire machines te kunnen controleren, zodat we materialen kunnen maken die reageren op externe stimuli, " zei García-Garibay. Dat zou kunnen leiden tot snellere computer- en elektronische beeldschermen, hij voegde toe, of technologieën die interageren met radar, sonar of chemicaliën.

"Met zulke lage barrières voor rotatie, de resultaten markeren een aanzienlijke vooruitgang in de richting van vrij roterende moleculaire componenten die zijn ingebed in een kristallijne matrix, en naar potentiële functionaliteit, " zei Stuart Brown, een UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, en een andere auteur van het papier.