(Phys.org) —Columbia Engineering-onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om een ​​enkel watermolecuul in een buckyball te isoleren, of C ₆₀ , en om de beweging van de zogenaamde "grote" niet-polaire bal door de ingekapselde "kleine" polaire H . te sturen ₂ O molecuul, een controlerend transportmechanisme in een nanokanaal onder een extern elektrisch veld. Ze verwachten dat deze methode zal leiden tot een scala aan nieuwe toepassingen, inclusief effectieve manieren om de medicijnafgifte te controleren en om C . te assembleren ₆₀ -gebaseerde functionele 3D-structuren op nanoschaalniveau, evenals het uitbreiden van ons begrip van de eigenschappen van één molecuul. De studie werd gepubliceerd als een "Physics Focus" in het nummer van 12 april van Fysieke beoordelingsbrieven .

"Buckyballen, meer formeel bekend als Buckminsterfullerenen, of fullerenen, zijn bolvormig, holle moleculaire structuren gemaakt van 60 koolstofatomen, met de grootte van ~ 1 nm-6, 000-8, 000 keer kleiner dan een gewone rode bloedcel - en, vanwege hun zeer symmetrische structuur, zeer hydrofobe kern, covalente niet-polaire bindingen, en nog belangrijker, relatief niet-toxiciteit voor het menselijk lichaam, ze zijn een perfecte container voor medicijnmoleculen, " legt Xi Chen uit, universitair hoofddocent aard- en milieutechniek, die het onderzoek leidde. Hij en zijn team geloven dat hun werk de eerste poging is om een ​​niet-polair molecuul (C .) te manipuleren ₆₀ ) of structuur door een ingevoegd polair molecuul (H ₂ O).

Chen zegt dat zijn bevindingen een nieuwe manier kunnen openen om een ​​niet-polair "groot" molecuul zoals C . te controleren en af ​​te leveren ₆₀ door het ingekapselde "kleine" polaire molecuul zoals H ₂ O. Dit kan leiden tot belangrijke toepassingen in nanotech- en biotech-gebieden, inclusief medicijnafgifte waarbij onderzoekers de polaire medicijnmoleculen in een holle structuur kunnen "opsluiten" en ze vervolgens naar hun doelen kunnen leiden.

En, vanuit een fundamenteel oogpunt, hij hoopt dat de geïsoleerde, ingekapseld enkel molecuul, zoals de H ₂ O een in zijn studeerkamer, zal een belangrijk platform bieden voor het onthullen en onderzoeken van inherente kenmerken van een enkel molecuul, vrij van zijn buitenomgeving.

"De belangrijke rol van waterstofbruggen in de eigenschappen van water, zoals oppervlaktespanning en viscositeit, en de precieze interacties tussen een enkel watermolecuul en waterstofbruggen, zijn nog onduidelijk, "Chen merkt op, "Dus onze nieuwe techniek om een ​​enkel watermolecuul te isoleren dat vrij is van waterstofbruggen, biedt de mogelijkheid om deze vragen te beantwoorden."

Sinds de ontdekking van C ₆₀ in 1980, wetenschappers hebben geprobeerd de uitdaging op te lossen om een ​​​​enkele C . te beheersen ₆₀ . Er zijn verschillende mechanische strategieën ontwikkeld waarbij AFM (atoomkrachtmicroscopie) betrokken is, maar deze zijn kostbaar en tijdrovend. De mogelijkheid om een ​​enkele C . te besturen ₆₀ door een eenvoudig extern krachtveld, zoals een elektrisch of magnetisch veld, zou een grote stap voorwaarts zijn.

In de Columbia Engineering-studie, vonden de onderzoekers dat toen ze een polair molecuul inkapselden in een niet-polair fullereen, ze konden een extern elektrisch veld gebruiken om de molecule@fullereenstructuren naar de gewenste posities te transporteren en de transportsnelheid aanpassen zodat zowel de leveringsrichting als de tijd controleerbaar waren. Chen's team kwam een ​​jaar geleden op het idee, en bevestigden hun verrassende resultaten door middel van uitgebreide atomistische simulaties.

Chen is van plan om meer eigendommen van de H . te verkennen ₂ O@C ₆₀ molecuul en andere soortgelijke structuren, en om door te gaan met het onderzoeken van de interactie en communicatie van het ingekapselde enkele watermolecuul met zijn omgeving.

"Het bestuderen van de communicatie van een gevangen enkele watermolecuul met zijn buitenomgeving, zoals aangrenzende moleculen, " hij voegt toe, "Het is als leren hoe iemand die in een kamer zit, contact maakt met vrienden buiten, selectief op aanvraag (d.w.z. met controle) of willekeurig (zonder controle) door, zeggen, via de telefoon."