Usando impressão 3D avançada, Os pesquisadores do Dartmouth College descobriram a chave para transformar nanorings microscópicos em materiais inteligentes que realizam trabalhos em escala humana.

Nanomáquinas já podem fornecer medicamentos e servir como memórias de computador em uma escala nanométrica minúscula. Ao integrar uma técnica de impressão 3-D pioneira no Ke Functional Materials Group de Dartmouth, os pesquisadores podem desbloquear um potencial ainda maior para essas mini-máquinas.

A pesquisa foi publicada no dia 22 de março na edição online da Angewandte Chemie , o prestigioso jornal da Sociedade Química Alemã.

"Até agora, aproveitar o trabalho mecânico das nanomáquinas tem sido extremamente difícil. Estamos lentamente chegando perto do ponto em que as pequenas máquinas podem operar em uma escala que podemos ver, tocar e sentir ", disse Chenfeng Ke, Professor assistente de química no Dartmouth College e investigador principal da pesquisa.

Em um exemplo fornecido por Ke, o material inteligente de primeira geração levantou dez centavos pesando 2.268g. A moeda, 15 vezes o peso da estrutura que o ergueu, foi levantado 1,6 mm - o equivalente a um humano levantando um carro.

"Criar material inteligente baseado em nanomáquinas ainda é extraordinariamente complexo e estamos apenas começando, mas esta nova técnica pode permitir o design e fabricação de dispositivos inteligentes complexos que estão atualmente além do nosso alcance, "disse Ke.

O design do novo material é baseado na pesquisa ganhadora do Prêmio Nobel que transformou as moléculas mecanicamente interligadas (MIMs) em máquinas de trabalho em nanoescala. Anteriormente, pesquisadores mostraram como a luz, o calor e os níveis alterados de pH podem forçar o movimento dentro de uma estrutura - conhecida como rotaxano - composta de anéis em um eixo molecular. Da mesma forma que as contas são enfiadas em um cordão, o deslizamento - ou movimento - dos anéis ao longo do eixo faz com que as moléculas mudem de forma e armazenem energia.

De acordo com o jornal, MIMs já são amplamente usados ​​como ônibus moleculares, comuta, músculos e bombas. Mas por anos, os químicos ficam frustrados com o problema de ordenar suas posições aleatórias. Estabelecer tal ordem é fundamental para evitar que as estruturas cancelem o movimento mecânico umas das outras, de modo que seus movimentos moleculares possam ser amplificados.

"Nosso trabalho fornece o primeiro princípio de design para adicionar capacidade de impressão 3-D às nanomáquinas. também transformamos os movimentos moleculares em macroescala para fazer um trabalho útil, "disse Ke, que fez sua pesquisa de pós-doutorado com um dos ganhadores do Nobel de 2016, Sir Fraser Stoddart.

O grupo de pesquisa desenvolveu e sintetizou géis baseados em MIM com propriedades desejáveis ​​para impressão 3-D. Utilizando as interações de ligações de hidrogênio entre nanorings, eles imprimiram estruturas tridimensionais semelhantes a redes com sucesso. Cruzando os eixos, estruturas com boa integridade estrutural 3-D e estabilidade mecânica foram criadas.

Os pesquisadores descobriram que a complexa arquitetura 3-D dessas estruturas pode ser reversivelmente deformada e reformada por meio da troca de solvente que alterna a estrutura do anel roscado entre o transporte aleatório e os estados estacionários no nível molecular. Este comportamento de mudança de forma e recuperação foi facilmente repetido muitas vezes.

"Assim como mover contas para fortalecer ou enfraquecer um cordão, esta ação é crítica porque permite a amplificação do movimento molecular em movimento macroscópico através da conversão da entrada de energia química em trabalho mecânico, "disse Qianming Lin, o primeiro autor do artigo e um estudante de graduação do primeiro ano no Departamento de Química do Dartmouth College.

Ke e sua equipe esperam que esse avanço permita aos cientistas desenvolver materiais e dispositivos inteligentes. Por exemplo, adicionando contração e torção ao movimento ascendente, máquinas moleculares podem ser úteis como robôs suaves que realizam tarefas complicadas semelhantes a uma mão humana.