Os pesquisadores da nanociência da UCLA determinaram que um fluido que se comporta de forma semelhante à água em nossas vidas diárias se torna tão pesado quanto o mel quando preso em uma nanocage de um sólido poroso, oferecendo novos insights sobre como a matéria se comporta no mundo em nanoescala.

"Estamos aprendendo cada vez mais sobre as propriedades da matéria em nanoescala para que possamos projetar máquinas com funções específicas, "disse o autor sênior Miguel García-Garibay, reitor da Divisão de Ciências Físicas da UCLA e professor de química e bioquímica.

A pesquisa está publicada na revista. ACS Central Science .

Quão pequena é a nanoescala? Um nanômetro é menor que 1/1, 000 do tamanho de um glóbulo vermelho e cerca de 1/20, 000 o diâmetro de um cabelo humano. Apesar de anos de pesquisa por cientistas de todo o mundo, o tamanho extraordinariamente pequeno da matéria em nanoescala tornou difícil aprender como o movimento funciona nessa escala.

"Esta pesquisa empolgante, apoiado pela National Science Foundation, representa um avanço seminal no campo das máquinas moleculares, "disse Eugene Zubarev, um diretor de programa da NSF. “Certamente vai estimular mais trabalho, tanto em pesquisa básica quanto em aplicações da vida real de eletrônica molecular e dispositivos miniaturizados. Miguel Garcia-Garibay está entre os pioneiros neste campo e tem um histórico muito forte de trabalhos de alto impacto e descobertas inovadoras. "

Os possíveis usos para nanomáquinas complexas que podem ser muito menores do que uma célula incluem colocar um produto farmacêutico em uma nanocage e liberar a carga dentro de uma célula, para matar uma célula cancerosa, por exemplo; transporte de moléculas por razões médicas; projetar computadores moleculares que potencialmente poderiam ser colocados dentro de seu corpo para detectar doenças antes que você se desse conta de quaisquer sintomas; ou talvez até mesmo para projetar novas formas de matéria.

Para obter essa nova compreensão do comportamento da matéria em nanoescala, O grupo de pesquisa de García-Garibay projetou três nanomateriais rotativos conhecidos como MOFs, ou estruturas metal-orgânicas, que eles chamam de UCLA-R1, UCLA-R2 e UCLA-R3 (o "r" significa rotor). MOFs, às vezes descrito como esponjas de cristal, têm poros - aberturas que podem armazenar gases, ou neste caso, líquido.

O estudo do movimento dos rotores permitiu aos pesquisadores isolar o papel que a viscosidade de um fluido desempenha na nanoescala. Com o UCLA-R1 e o UCLA-R2, os rotores moleculares ocupam um espaço muito pequeno e impedem o movimento uns dos outros. Mas no caso do UCLA-R3, nada diminuiu a velocidade dos rotores dentro do nanocage, exceto as moléculas de líquido.

O grupo de pesquisa de García-Garibay mediu a velocidade de rotação das moléculas nos cristais. Cada cristal tem quatrilhões de moléculas girando dentro de uma nanocage, e os químicos sabem a posição de cada molécula.

O UCLA-R3 foi construído com grandes rotores moleculares que se movem sob a influência das forças viscosas exercidas por 10 moléculas de líquido aprisionadas em seus arredores em nanoescala.

"É muito comum quando você tem um grupo de moléculas em rotação que os rotores são impedidos por algo dentro da estrutura com a qual eles interagem - mas não no UCLA-R3, "disse García-Garibay, membro do California NanoSystems Institute da UCLA. “O projeto do UCLA-R3 foi bem-sucedido. Queremos ser capazes de controlar a viscosidade para fazer os rotores interagirem uns com os outros; queremos entender a viscosidade e a energia térmica para projetar moléculas que exibem ações específicas. Queremos controlar as interações entre as moléculas para que possam interagir umas com as outras e com campos elétricos externos. "

A equipe de pesquisa de García-Garibay trabalha há 10 anos em movimento em cristais e no projeto de motores moleculares em cristais. Por que isso é tão importante?

"Posso obter uma imagem precisa das moléculas nos cristais, o arranjo preciso dos átomos, sem incertezas, "García-Garibay disse." Isso proporciona um grande nível de controle, que nos permite aprender os diferentes princípios que regem as funções moleculares em nanoescala. "

García-Garibay espera projetar cristais que aproveitem as propriedades da luz, e cujas aplicações podem incluir avanços em tecnologia de comunicação, computação óptica, detecção e o campo da fotônica, que aproveita as propriedades da luz; a luz pode ter energia suficiente para quebrar e fazer ligações nas moléculas.

"Se formos capazes de converter luz, que é energia eletromagnética, em movimento, ou converter movimento em energia elétrica, então temos o potencial de tornar os dispositivos moleculares muito menores, "disse ele." Haverá muitos, muitas possibilidades para o que podemos fazer com máquinas moleculares. Ainda não entendemos totalmente qual é o potencial da maquinaria molecular, mas existem muitas aplicações que podem ser desenvolvidas, uma vez que desenvolvamos uma compreensão profunda de como o movimento ocorre nos sólidos. "

Os co-autores são o autor principal Xing Jiang, um estudante graduado da UCLA no laboratório de García-Garibay, que completou este ano o doutorado; Hai-Bao Duan, um acadêmico visitante da Universidade Nanjing Xiao Zhuang da China que passou um ano conduzindo pesquisas no laboratório de García-Garibay; e Saeed Khan, um cristalógrafo da UCLA no departamento de química e bioquímica.