Al decenia, Dr. John A. Gladysz, chemicus van Texas A&M University, heeft metalen en koolstof gemengd om nieuwe moleculen te creëren, van 's werelds langste moleculaire draden tot microscopische gyroscopen die bestuurbaar zijn op basis van kooigrootte, moleculaire toegang en zelfs vooruitgang in de richting van unidirectionele rotatie via externe elektrische veldmanipulatie.

In een meest recente prestatie, Gladysz en zijn onderzoeksgroep hebben een nieuw type moleculaire rotor gemaakt die veelbelovend is voor toekomstige ontwikkeling als een functionele moleculaire machine die in staat is om materie op atomair en subatomair niveau te manipuleren en meerdere takken van chemie te transformeren, samen met talloze gerelateerde sectoren en industrieën.

Texas A&M chemie Ph.D. kandidaten Andreas Ehnbom en Sugam Kharel, postdoctorale onderzoekers Dr. Tobias Fiedler en Dr. Hemant Joshi, en X-Ray Diffraction Laboratory assistent-manager Nattamai Bhuvanesh voegen zich bij Gladysz als co-auteurs in het door de National Science Foundation gefinancierde werk, gedetailleerd in het omslagverhaal van de editie van deze week van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De Gladysz-groep gebruikte een methode genaamd olefine-metathese die werd erkend door de Nobelprijs voor scheikunde 2005 om een ​​reeks platinacomplexen te synthetiseren met macrocyclische ringliganden die het platina-atoom in de kern kunnen omdraaien in een conformatieverandering die doet denken aan dubbel-Nederlands touwspringen. De onderzoekers overwonnen aanzienlijke synthetische uitdagingen om ongekende moleculaire bewegingen te bereiken, vaak gecentreerd op een kernrotatie die een drievoudige schaatssprong oproept.

Naast het karakteriseren van de nieuwe moleculen met behulp van verschillende fysische methoden, de onderzoekers gebruikten computationele methoden die beschikbaar zijn via het Laboratory for Molecular Simulation (LMS), evenals supercomputing- en data-analysetechnologie via Texas A&M High Performance Research Computing om de bewegingen die deze moleculen kunnen ondergaan beter te begrijpen.

"Vergelijkbare verbindingen zijn eerder gemeld, maar met slechts één macrocyclische ring, " zei Ehnbom, die naast Gladysz ook samenwerkt met Texas A&M theoretisch chemicus en LMS-directeur Dr. Michael B. Hall.

"De onze hebben drie ringen en kunnen daarom een ​​'triple-jump-rope'-mechanisme ondergaan, wat ongekend is, ' voegde Joshi eraan toe.

Moleculaire machines - kleine structuren met regelbare bewegingen die een verscheidenheid aan taken kunnen uitvoeren wanneer energie aan de vergelijking wordt toegevoegd - boekten grote vooruitgang en haalden de krantenkoppen als het onderwerp van de 2016 Nobelprijs voor de Scheikunde. Even veelzijdig als machtig, deze apparaten kunnen mogelijk worden gebruikt als moleculaire schakelaars en motormoleculen en vervolgens worden toegepast bij de fabricage van nano-elektronische apparaten, nano-elektromechanische systemen (NEMS) en medicijnafgiftesystemen met een willekeurig aantal potentiële toepassingen in de chemie, materiaalkunde en techniek, industrie en geneeskunde.

"Wetenschappers hebben heel lang de synthese van moleculen nagestreefd met architecturen die gecontroleerde bewegingen mogelijk maken, en het is een steeds actiever onderzoeksgebied, zoals blijkt uit de Nobelprijs 2016, "Zei Gladysz. "Door zulke moleculen te gebruiken, het moet mogelijk zijn om functionele moleculaire machines te ontwerpen en te ontwikkelen die materie op atomair niveau kunnen manipuleren, wat revolutionair zou zijn. We zijn nog ver verwijderd van het bereiken van dit doel, maar nu, we zijn een stap dichterbij."

Ehnbom merkt op dat een belangrijke volgende stap zal zijn om uit te zoeken hoe de beweging van hun verbindingen kan worden gecontroleerd, die op dit moment willekeurig is, niet anders dan die van echte motoren en motoren. Het team is van plan ultramoderne computermodellen te gebruiken om dergelijke rotatie te simuleren, daardoor een beter begrip krijgen van de factoren die het beheersen om hun ontwerp verder aan te scherpen, van latere rotoren tot experimenten. Ten slotte, de toekomst - en haalbare toepassing - hangt ervan af.

"Als onderzoekers er ooit in slagen functionele moleculaire machines te synthetiseren, de mogelijkheden zijn eindeloos en variëren van transport op moleculair niveau, of afgifte van medicatie in het lichaam, tot manipulatie van microscopische structuren, of synthese van chemicaliën, tot gegevensverwerking en opslag, " voegde Charel eraan toe, die net zijn Texas A&M Ph.D.

De krant van het team, "Drievoudige intramoleculaire ringsluitende alkeenmetatheses van vierkante vlakke complexen met cis-fosfordonorliganden P(X(CH2)mCH=CH2)3 (X =–, m =5-10; X =O, m =3-5):Synthesen, structuren, en thermische eigenschappen van macrocyclische dibridgehead-difosforcomplexen, " kan online worden bekeken, samen met gerelateerde figuren en bijschriften.