As engrenagens são um componente essencial das máquinas do dia a dia. A capacidade de mudar de marcha, como em um carro, permite o controle do grau ou direção do movimento gerado, tornando as máquinas mais versáteis.

Agora, uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto de Design e Descoberta de Reações Químicas (WPI-ICReDD) da Universidade de Hokkaido relatou uma nova estratégia de design para realizar engrenagens de tamanho molecular em cristais e o primeiro exemplo de mudança de engrenagem molecular controlável em um sólido. material.

Eles desenvolveram um material cristalino que contém moléculas semelhantes a engrenagens que podem ser alternadas reversivelmente entre dois tipos de movimento. O princípio do design fornece um modelo para o desenvolvimento de novos materiais versáteis. O estudo foi publicado no Journal of the American Chemical Society .

Os pesquisadores utilizaram uma molécula em forma de engrenagem chamada triariltriazina, que tem um anel central de triazina com três anéis de fenileno ligados a ele – que agem como os dentes de uma engrenagem. Ao anexar moléculas volumosas e estacionárias aos anéis de fenileno, os pesquisadores induziram um arranjo de “pilha de embreagem”, onde moléculas adjacentes de triariltriazina são giradas 60° umas das outras, em vez de empilhadas na mesma orientação.

"O design da pilha de embreagem foi inspirado no sistema de maquinário mecânico da embreagem de um carro", disse o professor associado Mingoo Jin.

As moléculas estacionárias anexadas também criaram espaço suficiente para os três anéis de fenileno girarem entre duas posições em um movimento oscilante. O arranjo da pilha de embreagem das moléculas de triariltriazina permitiu que moléculas adjacentes se prendessem umas às outras à medida que os anéis de fenileno giravam, como se fossem engrenagens interligadas. Isso resultou no movimento correlacionado de todas as moléculas na pilha.

Quando a temperatura foi elevada acima de um certo limite, foi observado um movimento correlacionado diferente, no qual os anéis de fenileno sofreram uma rotação de 180°. Esta mudança no movimento foi atribuída a uma transição de fase no cristal que criou mais espaço entre moléculas adjacentes, dando aos anéis de fenileno mais espaço para girar.

Os investigadores descobriram que esta mudança no movimento poderia ser revertida através do arrefecimento do cristal, marcando a primeira vez que tal movimento molecular controlável foi observado num sólido. O efeito da mudança de marcha molecular pode ser ajustado ajustando o tamanho e a estrutura da molécula estacionária ligada à molécula da engrenagem. Essa ajustabilidade abre a porta para o desenvolvimento de novos materiais funcionais que potencializam máquinas moleculares cristalinas.

“A próxima direção de nossa pesquisa seria usar o movimento molecular orientado em cristais para manipular diferentes propriedades físicas de materiais no estado sólido, como emissão de luz ou comportamento térmico”, afirmou Jin.

Mais informações: Mingoo Jin et al, Uma pilha de triariltriazinas acionadas por repulsão estérica:rotações moleculares correlacionadas e uma mudança de marcha termorresponsiva no sólido cristalino, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c08909
Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química

Fornecido pela Universidade de Hokkaido