p (PhysOrg.com) - O estudante de pós-graduação de Kolomeisky e Rice, Alexey Akimov, deu um grande passo em direção à definição do comportamento desses redemoinhos moleculares com um novo artigo no Journal of Physical Chemistry C. da American Chemical Society. Por meio de simulações de dinâmica molecular, eles definiram as regras básicas para o movimento do rotor de moléculas ligadas a uma superfície de ouro. p "Isso não é um desenho animado. É uma molécula real, com todas as interações ocorrendo corretamente, "disse Anatoly Kolomeisky enquanto mostrava uma animação de átomos girando e girando em torno de um eixo central como um passeio de carnaval enlouquecido.

p Kolomeisky, um professor associado de química da Rice University, estava oferecendo uma espiada em um meio molecular onde os átomos mergulham, mergulhe e voe de acordo com um conjunto de regras que ele está determinado a decodificar.

p O estudante de pós-graduação de Kolomeisky e Rice, Alexey Akimov, deu um grande passo em direção à definição do comportamento desses redemoinhos moleculares com um novo artigo na American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C . Por meio de simulações de dinâmica molecular, eles definiram as regras básicas para o movimento do rotor de moléculas ligadas a uma superfície de ouro.

p É uma extensão de seu trabalho nos famosos nanocarros de Rice, desenvolvido principalmente no laboratório de James Tour, Rice's T.T. e W.F. Chao Chair in Chemistry, bem como professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e ciência da computação, mas para o qual Kolomeisky também construiu modelos moleculares.

p Atacando em uma direção diferente, a equipe decodificou várias características-chave desses minúsculos rotores, que poderiam abrigar pistas sobre as maneiras como os motores moleculares do corpo humano funcionam.

p O movimento que eles descreveram é encontrado em toda parte na natureza, Kolomeisky disse. O exemplo mais visível é o flagelo da bactéria, que usam um movimento de rotor simples para se mover. "Quando o flagelo gira no sentido horário, as bactérias avançam. Quando eles giram no sentido anti-horário, eles caem. "Em um nível ainda menor, ATP-sintase, que é uma enzima importante para a transferência de energia nas células de todos os seres vivos, exibe comportamento de rotor semelhante - uma descoberta ganhadora do Prêmio Nobel.

p Compreender como construir e controlar rotores moleculares, especialmente em múltiplos, pode levar a alguns novos materiais interessantes no desenvolvimento contínuo de máquinas capazes de trabalhar em nanoescala, ele disse. Kolomeisky prevê, por exemplo, filtros de rádio que permitiriam apenas a passagem de um sinal muito bem sintonizado, dependendo da frequência dos nanorotores.

p "Seria extremamente importante, embora caro, material para fazer, "disse ele." Mas se eu puder criar centenas de rotores que se movem simultaneamente sob meu controle, Eu vou ficar muito feliz."

p O professor e seu aluno reduziram o número de parâmetros em sua simulação de computador para um subconjunto daqueles que mais os interessavam, Kolomeisky disse. A molécula do modelo básico tinha um átomo de enxofre no meio, fortemente ligado a um par de cadeias de alquil, como asas, que eram capazes de girar livremente quando aquecidos. O enxofre ancorou a molécula na superfície do ouro.

p Enquanto trabalhava em um artigo anterior com pesquisadores da Tufts University, Kolomeisky e Akimov viram evidências fotográficas do movimento do rotor por varredura de imagens de microscópio de tunelamento de moléculas de enxofre / alquila aquecidas em uma superfície de ouro. À medida que o calor aumentava, a imagem passou de linear para retangular para hexagonal, indicando movimento. O que as fotos não indicavam era o porquê.

p É aí que a modelagem por computador foi inestimável, tanto nos próprios sistemas do laboratório Kolomeisky quanto por meio da plataforma SUG @ R de Rice, um cluster de supercomputador compartilhado. Ao testar várias configurações teóricas - algumas com duas cadeias simétricas, alguns assimétricos, alguns com apenas uma cadeia - eles foram capazes de determinar um conjunto de características interligadas que controlam o comportamento dos rotores de uma única molécula.

p Primeiro, ele disse, a simetria e a estrutura do material da superfície de ouro (do qual vários tipos foram testados) tem muita influência na capacidade de um rotor de superar a barreira de energia que o impede de girar o tempo todo. Quando ambos os braços estão próximos às moléculas da superfície (que se repelem), a barreira é grande. Mas se um braço estiver sobre um espaço - ou oco - entre átomos de ouro, a barreira é significativamente menor.

p Segundo, os rotores simétricos giram mais rápido do que os assimétricos. A cadeia mais longa em um par assimétrico consome mais energia para se mover, e isso causa um desequilíbrio. Em rotores simétricos, as correntes, como asas rígidas, compensam uns aos outros quando uma asa mergulha em uma cavidade enquanto a outra sobe sobre uma molécula da superfície.

p Terceiro, Kolomeisky disse, a natureza da ligação química entre a âncora e as correntes determina a liberdade de rotação do rotor.

p Finalmente, a natureza química dos grupos rotativos também é um fator importante.

p Kolomeisky disse que a pesquisa abre um caminho para simular moléculas de rotor mais complexas. As cadeias na ATP-sintase são muito grandes para uma simulação discutir, "mas à medida que os computadores ficam mais poderosos e nossos métodos melhoram, podemos algum dia ser capazes de analisar essas moléculas longas, " ele disse.