Para que os motores moleculares sejam explorados de forma eficaz, eles precisam ser capazes de operar em uníssono. Contudo, integrar bilhões desses motores do tamanho de nanômetros em um único sistema e fazê-los operar em uníssono provou ser um grande desafio. Químicos orgânicos da Universidade de Groningen conseguiram agora integrar vários motores rotativos unidirecionais acionados por luz em uma estrutura metal-orgânica (um material sólido com uma estrutura semelhante a uma gaiola 3-D). Os detalhes de sua descoberta foram publicados em 18 de março, no jornal Nature Nanotechnology .

Motores moleculares rotativos movidos a luz foram criados pela primeira vez por Ben Feringa, um químico orgânico na Universidade de Groningen. O Prof. Feringa e dois outros compartilharam o Prêmio Nobel de Química de 2016 por esta descoberta. Grupos de vários tipos de motores moleculares em nanoescala foram anexados a superfícies e incorporados em géis, cristais líquidos e fibras semelhantes a músculos, onde podem realizar trabalhos em escala macro, através da ação cooperativa. Contudo, a criação de uma matriz ordenada desses motores em um material de estado sólido 3-D tem, até agora, permaneceu fora do nosso alcance.

Cristais

Uma equipe de cientistas da Universidade de Groningen, liderado por Ben Feringa, Professor Assistente Sander Wezenberg, e o professor Wesley Browne, assumiu este desafio. Eles já produziram um sistema de trabalho contendo 3 x 10 ²⁰ (um três seguido por 20 zeros) motores rotativos unidirecionais acionados por luz por centímetro cúbico, que todos correm em uníssono.

Os cientistas alojaram os motores em estruturas metal-orgânicas (MOFs), gaiolas moleculares feitas de metais com 'suportes' interconectados de moléculas orgânicas. Pilhas 3-D ordenadas dessas gaiolas moleculares formam cristais. Depois que eles desenvolveram esses cristais, a equipe substituiu os pilares verticais por moléculas motoras, usando um processo conhecido como troca de ligante assistida por solvente. Não foi possível inserir os motores em um estágio anterior, pois eles não seriam capazes de suportar as condições necessárias para sintetizar os MOFs.

Pilares

Os componentes do estator dos motores moleculares funcionam como os pilares das gaiolas, enquanto os componentes do rotor permanecem livres dentro das gaiolas. As gaiolas foram projetadas para serem grandes o suficiente para permitir que os motores funcionem livremente, sem obstáculos. Os próprios motores eram alimentados pela iluminação do cristal com luz ultravioleta. Testes nesses sistemas mostraram que os motores eram orientados predominantemente na mesma direção e que sua velocidade de rotação era semelhante às velocidades alcançadas em líquidos. A equipe ficou maravilhada, como tentativas anteriores de outros grupos para incorporar rotaxanos (outro tipo de máquina molecular) em MOFs mostraram que esses motores não eram capazes de funcionar livremente.

Assim, agora é possível criar um "MOF motorizado, "em que um grande número de motores moleculares são compactados densamente juntos para criar cristais macroscópicos. Em teoria, cristais como este podem ser usados ​​para controlar a difusão de gases, ou podem funcionar como bombas movidas a luz em sistemas microfluídicos. Outra aplicação potencial seria alimentar o MOF motorizado com materiais que reagiriam dentro das gaiolas antes de serem bombeados para fora novamente.

Contudo, muito mais pesquisas são necessárias antes que qualquer uma dessas aplicações se torne realidade. Um problema potencial, por exemplo, é que os materiais que passam pelas gaiolas podem interferir no funcionamento dos motores, causando o entupimento do sistema. No entanto, o sistema apresentado pelo Prof. Feringa e sua equipe fornecerá um trampolim para futuras explorações do comportamento coletivo de motores rotativos integrados em matrizes 3-D.