Uma equipe de cientistas usou microondas para desvendar a estrutura exata de um minúsculo motor molecular. A nanomáquina consiste em apenas uma única molécula, composto por 27 átomos de carbono e 20 átomos de hidrogênio (C27H20). Como um motor macroscópico, tem um estator e um rotor, conectado por um eixo. A análise revela como as peças individuais do motor são construídas e dispostas umas em relação às outras. A equipe liderada pela Cientista Líder do DESY, Melanie Schnell, relata os resultados na revista Angewandte Chemie International Edition .

O motor molecular artificial foi sintetizado pela equipe do holandês Prêmio Nobel Ben Feringa, da Universidade de Groningen, que é co-autor do artigo. Feringa recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2016 junto com Jean-Pierre Sauvage da Universidade de Estrasburgo e Sir Fraser Stoddart da Universidade Northwestern nos Estados Unidos pelo design e síntese de máquinas moleculares.

"O desempenho funcional de tais nanomáquinas emerge claramente de suas propriedades estruturais únicas, "os autores escrevem em seu estudo." Para melhor compreender e otimizar a maquinaria molecular, é importante conhecer sua estrutura detalhada e como essa estrutura muda durante as principais etapas mecânicas, de preferência sob condições nas quais o sistema não seja perturbado por influências externas. "

O motor rotativo investigado aqui é uma grande promessa para algumas aplicações, Como explica o primeiro autor Sérgio Domingos do DESY e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD):"Os químicos estão muito entusiasmados com esta molécula e tentam ligá-la a uma série de outras moléculas." Quando ativado pela luz, a nanomáquina opera por meio de etapas fotoquímicas e térmicas consecutivas, completando meia volta. Um segundo gatilho então força o motor a completar uma volta completa, retornando à sua posição inicial.

"Essa ativação por luz é ideal, pois fornece um meio não invasivo e altamente localizado para ativar remotamente o motor, "diz Domingos." Poderia ser usado, por exemplo, como uma função motora eficiente que pode ser integrada a uma droga, estabelecer controle sobre sua ação e liberá-lo em um ponto precisamente direcionado do corpo:as drogas ativadas por luz do futuro. Mas também aplicações como catálise ativada por luz e transmissão de movimento no nível molecular para o mundo macroscópico vêm à mente. Para tais aplicações, é importante entender a estrutura exata da molécula do motor e como ela funciona em detalhes. "

A composição atômica da molécula motora já havia sido investigada antes com raios-X. Para a análise de raios-X, as moléculas tiveram que crescer em cristais primeiro. Os cristais então difratam os raios X de uma maneira característica, e a partir do padrão de difração resultante, o arranjo dos átomos pode ser calculado. "Em contraste, investigamos a flutuação livre, moléculas isoladas em um gás, "explica Schnell, que trabalha no Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), uma cooperação entre DESY, a Universidade de Hamburgo e a Sociedade Max Planck. "Desta forma, podemos ver a molécula como ela é, livre de quaisquer influências externas, como solventes ou aglutinantes. "

Para determinar sua estrutura, as moléculas de flutuação livre tiveram que ser expostas a um campo ressonante de micro-ondas. "Usamos um campo eletromagnético para orientar as moléculas todas na mesma direção de forma coerente e, em seguida, registramos seu relaxamento quando o campo é desligado, "explica Schnell, que também lidera um grupo de pesquisa no MPSD e é professor de físico-química na Universidade de Kiel. "Isso revela as chamadas constantes de rotação da molécula, o que, por sua vez, nos dá informações precisas sobre seu arranjo estrutural. "

Esta análise da chamada espectroscopia de microondas não é direta. No caso da molécula motora, os cientistas tiveram que combinar mais de 200 linhas do espectro e comparar seus números com simulações de cálculos de química quântica. "Em relação ao número de átomos, o motor molecular atualmente é a maior molécula cuja estrutura foi resolvida com espectroscopia de microondas, "explica Schnell.

Para fazer as moléculas flutuarem na câmara de microondas, eles tiveram que ser aquecidos a 180 graus Celsius antes de serem resfriados rapidamente para menos 271 graus. "O aquecimento fez com que alguns dos motores se quebrassem, quebrando no eixo, "relata Domingos." Assim pudemos ver o rotor e o estator independentemente um do outro, confirmando suas estruturas. Isso também nos fornece algumas dicas sobre o mecanismo pelo qual ele se desfaz. "

A análise final indica alguns pequenos desvios da estrutura determinada com raios-X, onde as moléculas estão interagindo umas com as outras em um cristal. "Isso mostra que a estrutura do motor é inequivocamente afetada pelo ambiente, "diz Domingos. Ainda mais importante, a técnica de microondas abre a possibilidade de estudar a dinâmica da molécula motora. "Agora que podemos ver a molécula como ela realmente é, we want to catch it in action, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.