Onderzoekers van de UCLA-nanowetenschap hebben vastgesteld dat een vloeistof die zich in ons dagelijks leven op dezelfde manier gedraagt ​​als water, zo zwaar wordt als honing wanneer hij wordt vastgehouden in een nanokooi van een poreuze vaste stof, biedt nieuwe inzichten in hoe materie zich gedraagt ​​in de wereld op nanoschaal.

"We leren steeds meer over de eigenschappen van materie op nanoschaal, zodat we machines met specifieke functies kunnen ontwerpen, " zei senior auteur Miguel García-Garibay, decaan van de UCLA Division of Physical Sciences en hoogleraar scheikunde en biochemie.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap .

Hoe klein is de nanoschaal eigenlijk? Een nanometer is kleiner dan 1/1, 000 ter grootte van een rode bloedcel en ongeveer 1/20, 000 de diameter van een mensenhaar. Ondanks jarenlang onderzoek door wetenschappers over de hele wereld, de buitengewoon kleine omvang van materie op nanoschaal maakte het een uitdaging om te leren hoe beweging op deze schaal werkt.

"Dit spannende onderzoek, ondersteund door de National Science Foundation, vertegenwoordigt een baanbrekende vooruitgang op het gebied van moleculaire machines, " zei Eugene Zubarev, een programmadirecteur bij het NSF. "Het zal zeker verder werken stimuleren, zowel in fundamenteel onderzoek als in praktijktoepassingen van moleculaire elektronica en geminiaturiseerde apparaten. Miguel Garcia-Garibay is een van de pioniers op dit gebied en heeft een zeer sterke staat van dienst op het gebied van high-impact werk en baanbrekende ontdekkingen."

Mogelijke toepassingen voor complexe nanomachines die veel kleiner kunnen zijn dan een cel, zijn onder meer het plaatsen van een geneesmiddel in een nanokooi en het vrijgeven van de lading in een cel, om een ​​kankercel te doden, bijvoorbeeld; het vervoeren van moleculen om medische redenen; het ontwerpen van moleculaire computers die mogelijk in uw lichaam kunnen worden geplaatst om ziekten te detecteren voordat u zich bewust bent van symptomen; of misschien zelfs om nieuwe vormen van materie te ontwerpen.

Om dit nieuwe inzicht te krijgen in het gedrag van materie op nanoschaal, De onderzoeksgroep van García-Garibay ontwierp drie roterende nanomaterialen die bekend staan ​​als MOF's, of metaal-organische raamwerken, die ze UCLA-R1 noemen, UCLA-R2 en UCLA-R3 (de "r" staat voor rotor). MOF's, soms beschreven als kristallen sponzen, hebben poriën - openingen die gassen kunnen opslaan, of in dit geval vloeistof.

Door de beweging van de rotoren te bestuderen, konden de onderzoekers de rol die de viscositeit van een vloeistof speelt op nanoschaal isoleren. Bij UCLA-R1 en UCLA-R2 nemen de moleculaire rotoren een zeer kleine ruimte in beslag en belemmeren ze elkaars beweging. Maar in het geval van UCLA-R3, niets vertraagde de rotors in de nanokooi, behalve vloeistofmoleculen.

De onderzoeksgroep van García-Garibay heeft gemeten hoe snel moleculen in de kristallen roteerden. Elk kristal heeft quadriljoenen moleculen die ronddraaien in een nanokooi, en de chemici kennen de positie van elk molecuul.

UCLA-R3 is gebouwd met grote moleculaire rotoren die bewegen onder invloed van de viskeuze krachten die worden uitgeoefend door 10 moleculen vloeistof die vastzitten in hun nanoschaalomgeving.

"Het is heel gebruikelijk als je een groep roterende moleculen hebt dat de rotors worden gehinderd door iets in de structuur waarmee ze interageren, maar niet in UCLA-R3, " zei García-Garibay, een lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Het ontwerp van UCLA-R3 was succesvol. We willen de viscositeit kunnen regelen om de rotoren met elkaar te laten interageren; we willen de viscositeit en de thermische energie begrijpen om moleculen te ontwerpen die bepaalde acties vertonen. We willen controle de interacties tussen moleculen, zodat ze met elkaar en met externe elektrische velden kunnen interageren."

Het onderzoeksteam van García-Garibay werkt al 10 jaar aan beweging in kristallen en het ontwerpen van moleculaire motoren in kristallen. Waarom is dit zo belangrijk?

"Ik kan een nauwkeurig beeld krijgen van de moleculen in de kristallen, de precieze rangschikking van atomen, zonder onzekerheid, "Zei García-Garibay. "Dit zorgt voor een grote mate van controle, wat ons in staat stelt om de verschillende principes te leren die moleculaire functies op nanoschaal beheersen."

García-Garibay hoopt kristallen te ontwerpen die profiteren van de eigenschappen van licht, en waarvan de toepassingen vorderingen in de communicatietechnologie kunnen omvatten, optische gegevensverwerking, sensing en het gebied van fotonica, die profiteert van de eigenschappen van licht; licht kan genoeg energie hebben om te breken en bindingen te maken in moleculen.

"Als we licht kunnen omzetten, dat is elektromagnetische energie, in beweging, of zet beweging om in elektrische energie, dan hebben we het potentieel om moleculaire apparaten veel kleiner te maken, "zei hij. "Er zullen er veel zijn, veel mogelijkheden voor wat we kunnen doen met moleculaire machines. We begrijpen nog niet helemaal wat het potentieel van moleculaire machines is, maar er zijn veel toepassingen die kunnen worden ontwikkeld als we eenmaal een diep begrip hebben van hoe beweging plaatsvindt in vaste stoffen."

Co-auteurs zijn hoofdauteur Xing Jiang, een UCLA-afgestudeerde student in het laboratorium van García-Garibay, die dit jaar promoveerde; Hai Bao Duan, een gastonderzoeker van de Chinese Nanjing Xiao Zhuang University die een jaar lang onderzoek deed in het laboratorium van García-Garibay; en Saeed Khan, een UCLA-kristallograaf in de afdeling scheikunde en biochemie.