(PhysOrg.com) -- Kolomeisky en Rice afgestudeerde student Alexey Akimov hebben een grote stap gezet in de richting van het definiëren van het gedrag van deze moleculaire zweefmolens met een nieuw artikel in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C. Door middel van moleculaire dynamische simulaties, ze definieerden de basisregels voor de rotorbeweging van moleculen die aan een gouden oppervlak zijn bevestigd.

"Dit is geen tekenfilm. Het is een echte molecule, waarbij alle interacties correct verlopen, " zei Anatoly Kolomeisky terwijl hij een animatie liet zien van atomen die rond een centraal knooppunt draaien en draaien als een waanzinnige carnavalsrit.

Kolomeisky, een universitair hoofddocent scheikunde aan de Rice University, bood een kijkje in een moleculair midden waar atomen onderdompelen, duiken en vliegen volgens een reeks regels die hij vastbesloten is te ontcijferen.

Kolomeisky en Rice afgestudeerde student Alexey Akimov hebben een grote stap gezet in de richting van het definiëren van het gedrag van deze moleculaire zweefmolens met een nieuw artikel in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C . Door middel van moleculaire dynamica-simulaties, ze definieerden de basisregels voor de rotorbeweging van moleculen die aan een gouden oppervlak zijn bevestigd.

Het is een uitbreiding van hun werk aan de beroemde nanocars van Rice, voornamelijk ontwikkeld in het lab van James Tour, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica, maar waarvoor Kolomeisky ook moleculaire modellen heeft geconstrueerd.

Een andere richting uitslaand, het team heeft verschillende belangrijke kenmerken van deze kleine rotors gedecodeerd, die aanwijzingen kunnen bevatten voor de manier waarop moleculaire motoren in het menselijk lichaam werken.

De beweging die ze beschreven is overal in de natuur te vinden, zei Kolomeisky. Het meest zichtbare voorbeeld is in de flagella van bacteriën, die een eenvoudige rotorbeweging gebruiken om te bewegen. "Als de flagella met de klok mee draait, de bacteriën gaan vooruit. Als ze tegen de klok in draaien, ze tuimelen." Op een nog kleiner niveau, ATP-synthase, dat een enzym is dat belangrijk is voor de overdracht van energie in de cellen van alle levende wezens, vertoont vergelijkbaar rotorgedrag - een Nobelprijswinnende ontdekking.

Inzicht in het bouwen en besturen van moleculaire rotoren, vooral in veelvouden, zou kunnen leiden tot een aantal interessante nieuwe materialen bij de voortdurende ontwikkeling van machines die op nanoschaal kunnen werken, hij zei. Kolomeisky voorziet, bijvoorbeeld, radiofilters die alleen een zeer fijn afgestemd signaal doorlaten, afhankelijk van de frequentie van de nanorotors.

“Het zou een uiterst belangrijke, hoewel duur, materiaal om te maken, " zei hij. "Maar als ik honderden rotoren kan maken die tegelijkertijd onder mijn controle bewegen, Ik zal erg blij zijn."

De professor en zijn student brachten het aantal parameters in hun computersimulatie terug tot een subset van de parameters die hen het meest interesseerden, zei Kolomeisky. Het basismodelmolecuul had een zwavelatoom in het midden, stevig gebonden aan een paar alkylketens, zoals vleugels, die bij verhitting vrij konden ronddraaien. De zwavel verankerde het molecuul aan het gouden oppervlak.

Tijdens het werken aan een eerder artikel met onderzoekers van Tufts University, Kolomeisky en Akimov zagen fotografisch bewijs van rotorbeweging door tunnelmicroscoopbeelden te scannen van zwavel/alkylmoleculen die op een gouden oppervlak waren verwarmd. Toen de hitte steeg, het beeld ging van lineair naar rechthoekig naar zeshoekig, beweging aangeeft. Wat de foto's niet aangaven, was waarom.

Dat is waar computermodellering van onschatbare waarde was, zowel op de eigen systemen van het Kolomeisky-lab als via het SUG@R-platform van Rice, een gedeeld supercomputercluster. Door verschillende theoretische configuraties te testen -- sommige met twee symmetrische kettingen, sommige asymmetrische, sommige met slechts één ketting - ze waren in staat om een ​​reeks in elkaar grijpende kenmerken te bepalen die het gedrag van rotors met één molecuul bepalen.

Eerst, hij zei, de symmetrie en structuur van het gouden oppervlaktemateriaal (waarvan verschillende soorten zijn getest) heeft veel invloed op het vermogen van een rotor om de energiebarrière te overwinnen die hem ervan weerhoudt om de hele tijd te draaien. Wanneer beide armen zich dicht bij oppervlaktemoleculen bevinden (die afstoten), de drempel is groot. Maar als een arm zich boven een ruimte - of holte - tussen goudatomen bevindt, de drempel is aanzienlijk kleiner.

Tweede, symmetrische rotors draaien sneller dan asymmetrische. De langere ketting in een asymmetrisch paar kost meer energie om in beweging te komen, en dit veroorzaakt een onbalans. In symmetrische rotoren, de kettingen, als stijve vleugels, elkaar compenseren als een vleugel in een holte duikt terwijl de andere boven een oppervlaktemolecuul stijgt.

Derde, Kolomeisky zei:de aard van de chemische binding tussen het anker en de kettingen bepaalt de vrijheid van de rotor om te draaien.

Eindelijk, de chemische aard van roterende groepen is ook een belangrijke factor.

Kolomeisky zei dat het onderzoek een weg opent voor het simuleren van complexere rotormoleculen. De ketens in ATP-synthase zijn veel te groot voor een simulatie om te ruziën, "maar naarmate computers krachtiger worden en onze methoden verbeteren, misschien kunnen we ooit zulke lange moleculen analyseren, " hij zei.