À primeira vista, os motores moleculares de Rabih O. Al-Kaysi parecem-se com os vermes microscópicos que veríamos numa gota de água de um lago. Mas essas fitas ondulantes não estão vivas; são dispositivos feitos de moléculas cristalizadas que realizam movimentos coordenados quando expostos à luz. Com o desenvolvimento contínuo, dizem Al-Kaysi e seus colegas, suas minúsculas máquinas poderiam ser usadas por médicos como robôs de distribuição de medicamentos ou projetadas em conjuntos que direcionam o fluxo de água ao redor dos submarinos.



Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS).

A equipe construiu seu motor de cristal molecular inicial em 2021 com moléculas que permitiram a fotoisomerização - simplificando, as moléculas individuais no motor acenam um de seus grupos químicos para frente e para trás quando expostas à luz, e seu movimento coletivo resulta no movimento visível do motor. em si.

“Nosso primeiro motor foi um microfio que se dobrava e vibrava quando o expus a uma combinação de luz ultravioleta e visível”, diz Al-Kaysi. "Parecia uma dançarina de fita. Parecia viva."

As moléculas do primeiro motor da equipe precisavam de vários comprimentos de onda de luz (UV e visível) para conduzir a fotoisomerização. No entanto, Al-Kaysi e seu colega Christopher Bardeen queriam criar motores de cristal molecular que precisassem apenas de um único comprimento de onda de luz para funcionar. Então, eles sintetizaram uma biblioteca de moléculas de antraceno absorventes de luz, capazes de movimento ininterrupto de vaivém - ou seja, fotoisomerização contínua - com uma única fonte de luz.

Os pesquisadores estão no processo de caracterizar as moléculas à base de antraceno e usá-las como blocos de construção para criar mais motores de cristal molecular. Seu zoológico ativado pela luz agora inclui longas cordas semelhantes a cobras e uma aranha muito peluda que pode se curvar, pular, torcer e dançar.

Al-Kaysi, químico orgânico da Universidade King Saud bin Abdulaziz de Ciências da Saúde e do Centro Internacional de Pesquisa Médica King Abdullah, trabalhou com Bardeen, professor de química da Universidade da Califórnia, Riverside, por mais de duas décadas em cristais fotomecânicos.

Esses cristais "inteligentes" convertem a energia que absorvem da luz em trabalho mecânico e são normalmente caracterizados como termicamente reversíveis ou fotoquimicamente reversíveis. Em outras palavras, o movimento inicial dos cristais em resposta ao estímulo luminoso é revertido com um segundo estímulo de calor ou luz, respectivamente. No entanto, um terceiro subconjunto destes cristais inteligentes está a receber mais atenção de químicos como Al-Kaysi e Bardeen devido à sua capacidade de sustentar movimentos contínuos e oscilantes quando expostos a uma única fonte de luz.

As moléculas fotorreativas da biblioteca de Al-Kaysi são o ponto de partida para a fabricação de motores de cristal molecular. Cada uma das moléculas contém três segmentos:um segmento de antraceno, uma ligação dupla de carbono e um “grupo principal” personalizável no outro lado da ligação de carbono. O antraceno absorve luz e transmite a energia para a ligação dupla do carbono, que atua como eixo da molécula. Em seguida, o grupo principal determina a estrutura, a forma e o comportamento do empacotamento cristalino da molécula.

Depois que as moléculas de antraceno são sintetizadas, elas são injetadas em uma solução com sabão, onde são agrupadas em um processo denominado engenharia de cristal. Esses aglomerados cristalizados são usados ​​​​como "sementes" e colocados em outra solução com sabão com mais moléculas de antraceno, onde se automontam em formas maiores - normalmente hastes e fios.

Algumas dessas estruturas se automontam em formas ainda mais complexas que são visíveis a olho nu. Embora a automontagem do motor seja em grande parte aleatória, os pesquisadores estão procurando maneiras de direcioná-la, variando a temperatura e o teor de sabão do líquido e agitando o líquido em diferentes velocidades.

Quando iluminados em sua solução com sabão, os motores exibem movimentos 3D intrincados e contínuos. Os pesquisadores podem ajustar o movimento de um motor ajustando a intensidade e o comprimento de onda da luz. A nível molecular, o movimento é impulsionado pela fotoisomerização em torno da ligação dupla do carbono, sabem os investigadores. No entanto, eles ainda estão investigando como as moléculas coordenam esse comportamento em todo o motor do cristal molecular.

Nas demonstrações, os pesquisadores descobriram que os motores são notavelmente duráveis, não apresentando sinais de fadiga após horas de exposição à luz. E por serem à base de cristal, têm uma resistência inata à corrosão e à interferência eletromagnética e oferecem uma relação peso-potência “excepcional”. Segundo os pesquisadores, essas qualidades tornam os motores de cristal molecular particularmente adequados para aplicações biomédicas, micromáquinas e microssatélites.

Al-Kaysi e Bardeen dizem que com a ajuda de um “toque de engenheiro”, suas descobertas científicas básicas têm o potencial de resolver problemas do mundo real, como máquinas moleculares ativadas por luz para distribuição de medicamentos e conjuntos que direcionam o fluxo de água em torno de um casco do navio.

Fornecido pela American Chemical Society