Máquinas moleculares, muito menor do que uma única célula, pode um dia ser capaz de entregar medicamentos para matar células cancerosas ou patrulhar seu corpo em busca de sinais de doença. Mas muitas aplicações dessas máquinas requerem grandes matrizes de peças móveis duras, o que seria difícil de construir com estruturas biológicas típicas.

As moléculas que compõem os cristais sólidos encontrados na natureza são geralmente tão compactadas que não há espaço para nenhuma delas se mover. Portanto, apesar de sua resistência e durabilidade, cristais sólidos geralmente não foram considerados para aplicações em máquinas moleculares, que deve ter partes móveis que podem responder aos estímulos.

Agora, Os pesquisadores da UCLA formaram um cristal de moléculas que se assemelham a giroscópios com estruturas sólidas. Uma vez que cada molécula tem uma caixa externa em torno de um eixo de rotação, o cristal tem um exterior sólido, mas contém peças móveis.

O novo cristal, descrito no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , é a primeira prova de que um único material pode ser estático e móvel, ou anfidinâmico.

"Pela primeira vez, temos um sólido cristalino com elementos que podem se mover tão rápido dentro do cristal quanto fariam no espaço sideral, "disse Miguel García-Garibay, um professor de química e bioquímica da UCLA e autor sênior do estudo.

Para criar matrizes repetitivas de máquinas moleculares, ou materiais inteligentes, pesquisadores frequentemente se voltam para os cristais líquidos, que são projetados para uso em telas de televisão LCD, mas também são encontrados na natureza. Mas os cristais líquidos são relativamente lentos:cada molécula deve mudar totalmente a orientação para alterar como ela interage com a luz, para mudar a cor ou mostrar uma nova imagem em uma tela, por exemplo.

García-Garibay e seus colegas decidiram projetar um sólido cristalino com peças de movimento mais rápido. Como ponto de partida, eles consideraram maior, objetos do dia-a-dia que eles podem ser capazes de replicar em escala microscópica.

"Dois objetos que achamos muito interessantes são bússolas e giroscópios, "disse García-Garibay, que também é reitor de ciências físicas no UCLA College. "Começamos a criar modelos em grande escala; eu literalmente encomendei algumas centenas de compassos de brinquedo e comecei a construir estruturas com eles."

Havia duas chaves para imitar uma bússola ou giroscópio em escala menor, os pesquisadores descobriram. Primeiro, a caixa externa da estrutura tinha que ser forte o suficiente para manter sua forma em torno do espaço quase vazio. Segundo, o componente giratório interno tinha que ser o mais esférico possível.

Depois de algumas tentativas e erros, a equipe projetou uma estrutura que funcionou:uma caixa metalo-orgânica contendo íons metálicos e uma estrutura de carbono em torno de uma molécula esférica chamada biciclooctano. Em experimentos, o composto resultante - 1, Ácido 4-biciclo [2.2.2] octano dicarboxílico, uma estrutura metal-orgânica que os pesquisadores chamaram de BODCA-MOF - comportava-se como um material anfidinâmico.

Não apenas isso, mas as simulações de computador do cristal confirmaram o que os experimentos estavam mostrando:as esferas BODCA girando constantemente estavam girando até 50 bilhões de rotações por segundo, tão rápido quanto fariam no espaço vazio, se eles estavam girando no sentido horário ou anti-horário.

“Pudemos usar as equações da física para validar os movimentos que estavam ocorrendo nesta estrutura, "disse Kendall Houk, Saul Winstein, professor de química orgânica da UCLA e um dos autores do artigo. "É uma descoberta incrível que você pode ter movimentos extremamente rápidos dentro dessa coisa que externamente é como uma rocha."

Tendo provado que tal composto pode existir, os pesquisadores agora planejam tentar introduzir novas propriedades no BODCA-MOF que permitiriam um sistema elétrico, estímulo magnético ou químico para alterar o movimento das moléculas.

"O objetivo final é ser capaz de controlar o movimento nessas máquinas moleculares para que possamos criar materiais que respondam a estímulos externos, "García-Garibay disse. Isso poderia levar a computadores e telas eletrônicas mais rápidas, ele adicionou, ou tecnologias que interagem com o radar, sonar ou produtos químicos.

"Com barreiras tão baixas de rotação, os resultados marcam um progresso substancial em direção a componentes moleculares de rotação livre incorporados em uma matriz cristalina, e em direção à funcionalidade potencial, "disse Stuart Brown, um professor de física e astronomia da UCLA, e outro autor do artigo.