Graças a um design químico inteligente, pesquisadores do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares (HIMS) da Universidade de Amsterdã conseguiram fazer uma máquina molecular muito rápida. As partes móveis mudam mais de um nanômetro entre si em um tempo recorde de 30 bilionésimos de segundo. Os resultados foram publicados recentemente no Jornal da American Chemical Society .

A máquina molecular é um rotaxano, uma estrutura molecular com uma molécula em forma de anel em torno de uma molécula alongada em forma de fio. O anel pode se mover de um lado do fio para o outro, assim como um ônibus.

Os pesquisadores de Amsterdã alcançaram seu recorde de velocidade graças a um novo design molecular que permite que um lado do fio atraia o ônibus espacial em sua direção, por assim dizer. Além disso, eles usaram um conceito totalmente novo para desencadear o movimento, uma reação fotoquímica ácido-base.

Controlando o movimento com luz

O HIMS Molecular Photonics Group vem trabalhando há algum tempo em motores moleculares baseados em rotaxano, cujo movimento pode ser controlado pela luz. No caso dos rotaxanos mais simples, o anel deslizante não tem uma direção preferencial, então ele se move aleatoriamente ao longo do fio. Em variedades mais avançadas, o fio contém "estações" moleculares que introduzem uma preferência do anel por determinados locais no fio. Alterando quimicamente essas estações com a ajuda da luz, ajustando sua atração pelo ringue, é possível fazer o anel passar de uma estação para outra. Desta maneira, um flash de luz da cor certa pode controlar o movimento em uma escala nanométrica.

Este princípio foi aplicado com sucesso pelo grupo de Amsterdã e em outros lugares (por exemplo, os grupos de pesquisa dos ganhadores do Nobel Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage e Ben Feringa). No momento, o campo de pesquisa de máquinas moleculares ainda está em sua infância, mas potenciais aplicações futuras de tais motores moleculares comutáveis ​​são, por exemplo, computadores moleculares.

O único problema com o mecanismo é o tempo de viagem. Se o anel está em uma determinada estação, e outra estação se torna mais atraente por meio da luz, você só tem que esperar até que o anel saia espontaneamente de sua estação inicial, e então termina na estação de ligação mais forte por uma caminhada aleatória sobre o fio. Se o fio for longo, este processo pode demorar muito.

Mecanismo de arpão

Fred Brouwer e seu Ph.D. o estudante Tatu Kumpulainen veio com uma solução:eles projetaram uma máquina molecular na qual a estação terminal tem uma atração tão forte para o anel que deforma o fio permitindo que a estação agarre o anel, e arraste-o sobre o fio até seu destino final (veja a imagem). Esse mecanismo chamado arpão permitiu que eles criassem um ônibus espacial de velocidade recorde. As moléculas foram feitas por um mestre em química orgânica:Bert Bakker. Ele está aposentado há muito tempo, mas ainda gosta de seu trabalho de laboratório.

A fim de medir a velocidade do ônibus espacial, Brouwer e Kumpulainen trabalharam junto com os colegas Matthijs Panman e Sander Woutersen. Eles usaram um pulso curto de luz ultravioleta para induzir o movimento do anel, e então um segundo pulso de luz infravermelha para seguir seu movimento. O tempo recorde medido foi de 30 nanossegundos para uma distância percorrida de um nanômetro. Isso significa uma velocidade média de 3 cm por segundo. Isso pode parecer lento, mas é 4000 vezes mais rápido do que a proteína motora biológica mais rápida (miosina, que causa a contração dos nossos músculos). Um dos desafios para o futuro é fazer com que as pequenas moléculas motoras artificiais trabalhem juntas como as proteínas motoras de nossos músculos.