Cercetătorii în domeniul nanoștiinței UCLA au stabilit că un fluid care se comportă similar cu apa în viața noastră de zi cu zi devine la fel de greu ca mierea atunci când este prins într-o nanocăiță a unui solid poros, oferind noi informații despre modul în care se comportă materia în lumea nanoscală.

raportează

„Învățăm din ce în ce mai multe despre proprietățile materiei la nivel nanomural, astfel încât să putem proiecta mașini cu funcții specifice”, a declarat autorul principal Miguel García-Garibay, decanul Diviziei de Științe Fizice a UCLA și profesor de chimie și biochimie.

Cercetarea este publicată în revista ACS Central Science.

Cât de mică este nanoscala? Un nanometru are dimensiunea mai mică de 1/1.000 a celulelor roșii din sânge și aproximativ 1/20.000 diametrul unui fir de păr uman. În ciuda cercetărilor efectuate de ani de zile de către oamenii de știință din întreaga lume, dimensiunea extraordinar de mică a materiei la scară nanomobilă a făcut dificil să aflăm cum funcționează mișcarea la această scară.

„Această cercetare interesantă, susținută de National Science Foundation, reprezintă un progres seminal în domeniul mașinilor moleculare”, a declarat Eugene Zubarev, director de program la NSF. „Cu siguranță va stimula activitatea în continuare, atât în ​​cercetarea de bază, cât și în aplicațiile din viața reală a electronicii moleculare și a dispozitivelor miniaturizate. Miguel Garcia-Garibay se numără printre pionierii acestui domeniu și are un record foarte puternic de muncă cu impact ridicat și inovatoare descoperiri ".

Utilizările posibile pentru nanomașinele complexe care ar putea fi mult mai mici decât o celulă includ plasarea unui produs farmaceutic într-o nanocazie și eliberarea încărcăturii în interiorul unei celule, de exemplu pentru a distruge o celulă canceroasă; transportul moleculelor din motive medicale; proiectarea calculatoarelor moleculare care ar putea fi plasate în interiorul corpului pentru a detecta boala înainte de a fi conștient de orice simptome; sau poate chiar pentru a proiecta noi forme de materie.

Pentru a câștiga această nouă înțelegere a comportamentului materiei la nivel nanomural, grupul de cercetare al lui García-Garibay a proiectat trei nanomateriale rotative cunoscute sub numele de MOF-uri sau cadre metal-organice, pe care le numesc UCLA-R1, UCLA-R2 și UCLA-R3 („ r "înseamnă rotor). MOF-urile, uneori descrise ca bureți de cristal, au pori - deschideri care pot stoca gaze sau, în acest caz, lichide.

Studierea mișcării rotorilor le-a permis cercetătorilor să izoleze rolul vâscozității unui fluid la nanoscală. Cu UCLA-R1 și UCLA-R2, rotoarele moleculare ocupă un spațiu foarte mic și împiedică mișcarea celuilalt. Dar, în cazul UCLA-R3, nimic nu a încetinit rotoarele din interiorul nanocăii, cu excepția moleculelor de lichid.

Grupul de cercetare al lui García-Garibay a măsurat cât de repede s-au rotit moleculele în cristale. Fiecare cristal are cvadrilioane de molecule care se rotesc în interiorul unei nanocageți, iar chimiștii cunosc poziția fiecărei molecule.

UCLA-R3 a fost construit cu rotori moleculari mari care se mișcă sub influența forțelor vâscoase exercitate de 10 molecule de lichid prinse în mediul lor la scară nanomatică.

„Este foarte frecvent când aveți un grup de molecule rotative ca rotoarele să fie împiedicate de ceva din structura cu care interacționează - dar nu în UCLA-R3”, a spus García-Garibay, membru al Institutului California NanoSystems de la UCLA . "Proiectarea UCLA-R3 a avut succes. Vrem să putem controla vâscozitatea pentru a face rotoarele să interacționeze între ele; vrem să înțelegem vâscozitatea și energia termică pentru a proiecta molecule care afișează acțiuni particulare. Vrem să controlăm interacțiunile dintre molecule, astfel încât acestea să poată interacționa între ele și cu câmpurile electrice externe. "

Echipa de cercetare a lui García-Garibay lucrează de 10 ani la mișcarea în cristale și la proiectarea motoarelor moleculare în cristale. De ce este atât de important acest lucru?

Pot obtine o imagine precisa a moleculelor din cristale, aranjarea precisa a atomilor, fara incertitudine, a spus García-Garibay. Acest lucru ofera un nivel mare de control, care ne permite sa invatam diferitele principii care guverneaza functiile moleculare la nivel nanomural.

García-Garibay speră să proiecteze cristale care să profite de proprietățile luminii și ale căror aplicații ar putea include progrese în tehnologia comunicațiilor, calcul optic, detectare și domeniul fotonic, care profită de proprietățile luminii; lumina poate avea suficientă energie pentru a se rupe și a crea legături în molecule.

"Dacă suntem capabili să transformăm lumina, care este energia electromagnetică, în mișcare sau să transformăm mișcarea în energie electrică, atunci avem potențialul de a face dispozitivele moleculare mult mai mici", a spus el. "Vor exista multe, multe posibilități pentru ceea ce putem face cu mașinile moleculare. Nu înțelegem încă pe deplin care este potențialul mașinilor moleculare, dar există multe aplicații care pot fi dezvoltate odată ce dezvoltăm o înțelegere profundă a modului în care mișcarea are loc în solide. "