macchine molecolari, molto più piccolo delle singole cellule, potrebbe un giorno essere in grado di somministrare farmaci per uccidere le cellule tumorali o pattugliare il tuo corpo alla ricerca di segni di malattia. Ma molte applicazioni di queste macchine richiedono una vasta gamma di parti mobili dure come la roccia, che sarebbe difficile da costruire con le tipiche strutture biologiche.

Le molecole che compongono i cristalli solidi che si trovano in natura sono generalmente così ravvicinate che non c'è spazio per muoversi. Quindi, nonostante la loro forza e durata, i cristalli solidi non sono stati generalmente considerati per applicazioni in macchine molecolari, che deve avere parti mobili in grado di rispondere agli stimoli.

Ora, I ricercatori dell'UCLA hanno formato un cristallo di molecole che assomigliano a giroscopi con strutture solide. Poiché ogni molecola ha un involucro esterno che circonda un asse rotante, il cristallo ha un esterno solido ma contiene parti mobili.

Il nuovo cristallo, descritto nel giornale Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , è la prima prova che un singolo materiale può essere sia statico che in movimento, o anfidinamico.

"Per la prima volta, abbiamo un solido cristallino con elementi che possono muoversi velocemente all'interno del cristallo come farebbero nello spazio esterno, " disse Miguel García-Garibay, un professore UCLA di chimica e biochimica e autore senior dello studio.

Per creare array ripetitivi di macchine molecolari, o materiali intelligenti, i ricercatori si sono spesso rivolti ai cristalli liquidi, che sono progettati per essere utilizzati negli schermi televisivi LCD ma si trovano anche in natura. Ma i cristalli liquidi sono relativamente lenti:ogni molecola deve cambiare completamente orientamento per alterare il modo in cui interagisce con la luce, per cambiare colore o mostrare una nuova immagine su uno schermo, ad esempio.

García-Garibay e colleghi hanno deciso di progettare un solido cristallino con parti che si muovono più velocemente. Come punto di partenza, consideravano più grande, oggetti di uso quotidiano che potrebbero essere in grado di replicare su scala microscopica.

"Due oggetti che abbiamo trovato molto interessanti erano bussole e giroscopi, " disse García-Garibay, che è anche preside di scienze fisiche presso l'UCLA College. "Abbiamo iniziato a creare modelli su larga scala; ho letteralmente ordinato alcune centinaia di bussole giocattolo e ho iniziato a costruire strutture con esse".

C'erano due chiavi per imitare una bussola o un giroscopio su scala più piccola, i ricercatori hanno scoperto. Primo, l'involucro esterno della struttura doveva essere abbastanza robusto da mantenere la sua forma attorno allo spazio per lo più vuoto. Secondo, la componente rotante interna doveva essere quanto più possibile sferica.

Dopo alcuni tentativi ed errori, il team ha progettato una struttura che ha funzionato:un involucro metallo-organico contenente sia ioni metallici che uno scheletro di carbonio che circonda una molecola sferica chiamata bicicloottano. Negli esperimenti, il composto risultante—1, acido 4-biciclo[2.2.2]ottano dicarbossilico, una struttura metallo-organica che i ricercatori hanno chiamato BODCA-MOF, si è comportata come un materiale anfidinamico.

Non solo quello, ma le simulazioni al computer del cristallo hanno confermato ciò che gli esperimenti stavano mostrando:le sfere BODCA in continua rotazione ruotavano ciascuna fino a 50 miliardi di rotazioni al secondo, veloci come avrebbero fatto nello spazio vuoto, se ruotassero in senso orario o antiorario.

"Siamo stati in grado di utilizzare le equazioni della fisica per convalidare i movimenti che si stavano verificando in questa struttura, "ha detto Kendall Houk, Saul Winstein Professore di Chimica Organica dell'UCLA e uno degli autori dell'articolo. "È una scoperta incredibile che puoi avere movimenti estremamente rapidi all'interno di questa cosa che esternamente è come una roccia."

Avendo dimostrato che un tale composto può esistere, i ricercatori ora hanno in programma di provare a introdurre nuove proprietà in BODCA-MOF che consentirebbero un elettrico, stimolo magnetico o chimico per alterare il movimento delle molecole.

"L'obiettivo finale è essere in grado di controllare il movimento in queste macchine molecolari in modo da poter creare materiali che rispondano a stimoli esterni, " ha detto García-Garibay. Ciò potrebbe portare a computer e display elettronici più veloci, Ha aggiunto, o tecnologie che interagiscono con il radar, sonar o prodotti chimici.

"Con barriere così basse per la rotazione, i risultati segnano progressi sostanziali verso componenti molecolari a rotazione libera incorporati in una matrice cristallina, e verso la potenziale funzionalità, " disse Stuart Brown, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA, e un altro autore dell'articolo.