Per decenni, Il dottor John A. Gladysz, chimico della Texas A&M University, ha mescolato metalli e carbonio per creare nuove molecole, dai fili molecolari più lunghi del mondo ai giroscopi microscopici controllabili dalle dimensioni della gabbia, l'accesso molecolare e persino il progresso verso la rotazione unidirezionale tramite la manipolazione del campo elettrico esterno.

In una realizzazione più recente, Gladysz e il suo gruppo di ricerca hanno realizzato un nuovo tipo di rotore molecolare che promette lo sviluppo futuro come macchina molecolare funzionale in grado di manipolare la materia a livello atomico e subatomico e di trasformare molteplici rami della chimica, insieme a una miriade di settori e industrie correlati.

Ph.D. in chimica A&M del Texas candidati Andreas Ehnbom e Sugam Kharel, ricercatori post-dottorato Dr. Tobias Fiedler e Dr. Hemant Joshi, e l'assistente manager del laboratorio di diffrazione dei raggi X, Nattamai Bhuvanesh, si uniscono a Gladysz come coautori nel lavoro finanziato dalla National Science Foundation, dettagliato nella storia di copertina dell'edizione di questa settimana del Giornale della Società Chimica Americana .

Il gruppo di Gladysz ha utilizzato un metodo chiamato metatesi dell'olefina riconosciuto con il Premio Nobel per la Chimica 2005 per sintetizzare una serie di complessi di platino con ligandi ad anello macrociclici che possono capovolgere l'atomo di platino centrale in un cambiamento di conformazione che ricorda il salto con la corda olandese. I ricercatori hanno superato importanti sfide sintetiche per ottenere movimenti molecolari senza precedenti, spesso incentrato su una rotazione del core che evoca un salto di pattinaggio triplo axel.

Oltre a caratterizzare le nuove molecole utilizzando vari metodi fisici, i ricercatori hanno utilizzato metodi computazionali disponibili tramite il Laboratorio per la simulazione molecolare (LMS) e la tecnologia di supercalcolo e analisi dei dati tramite Texas A&M High Performance Research Computing per comprendere ulteriormente i movimenti che queste molecole possono subire.

"Composti simili sono stati segnalati prima, ma con un solo anello macrociclico, " disse Ehnbom, che oltre a Gladysz lavora anche con il chimico teorico Texas A&M e direttore LMS Dr. Michael B. Hall.

"I nostri hanno tre anelli e quindi possono subire un meccanismo di 'triplo salto di corda', che è senza precedenti, " ha aggiunto Joshi.

Le macchine molecolari, minuscole strutture con movimenti controllabili che possono svolgere una varietà di compiti quando l'energia viene aggiunta all'equazione, hanno fatto grandi progressi e hanno fatto notizia come oggetto del Premio Nobel per la Chimica 2016. Tanto versatili quanto potenti, questi dispositivi potenzialmente possono essere impiegati come interruttori molecolari e motori-molecole e quindi applicati alla fabbricazione di dispositivi nanoelettronici, sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) e sistemi di somministrazione di farmaci con qualsiasi numero di potenziali applicazioni in chimica, Scienze dei materiali e Ingegneria, industria e medicina.

"Gli scienziati hanno perseguito per molto tempo la sintesi di molecole con architetture che consentono movimenti controllati, ed è un campo di ricerca sempre più attivo, come testimonia il Premio Nobel 2016, " ha detto Gladysz. "Utilizzando tali molecole, dovrebbe essere possibile progettare e sviluppare macchine molecolari funzionali in grado di manipolare la materia a livello atomico, che sarebbe rivoluzionario. Siamo ancora lontani dal raggiungere questo traguardo, ma ora, siamo un passo più vicini".

Ehnbom nota che un importante passo successivo sarà capire come controllare il movimento dei loro composti, che al momento è casuale, non dissimile da quella dei motori e dei motori reali. Il team prevede di utilizzare modelli computazionali all'avanguardia per simulare tale rotazione, acquisendo così una migliore comprensione dei fattori che lo controllano per affinare ulteriormente il loro design, dai rotori successivi agli esperimenti. Dopotutto, il futuro, e l'applicazione fattibile, dipende da questo.

"Se i ricercatori riuscissero mai a sintetizzare macchine molecolari funzionali, le possibilità sono infinite e vanno dal trasporto a livello molecolare, o consegna di farmaci all'interno del corpo, alla manipolazione di strutture microscopiche, o sintesi di sostanze chimiche, al trattamento e alla conservazione dei dati, "aggiunse Kharel, che ha appena completato il suo dottorato di ricerca in Texas A&M.

La carta della squadra, "Metatesi alchene di chiusura triplice anello intramolecolare di complessi planari quadrati con ligandi donatori di fosforo cis P(X(CH2)mCH=CH2)3 (X =–, m =5–10; X =O, m =3–5):Sintesi, Strutture, e proprietà termiche dei complessi macrociclici di difosforo a testa di ponte, " può essere visualizzato online insieme alle relative figure e didascalie.