Gli ingranaggi sono un componente essenziale delle macchine di tutti i giorni. La capacità di cambiare marcia, come in un'auto, consente di controllare il grado o la direzione del movimento generato, rendendo le macchine più versatili.
Ora, un team guidato da ricercatori dell’Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) dell’Università di Hokkaido ha segnalato una nuova strategia di progettazione per realizzare ingranaggi di dimensioni molecolari in cristalli e il primo esempio di cambio di ingranaggi molecolare controllabile in un solido materiale.
Hanno sviluppato un materiale cristallino che contiene molecole simili a ingranaggi che possono essere spostate in modo reversibile tra due tipi di movimento. Il principio di progettazione fornisce un modello per lo sviluppo di nuovi materiali versatili. Lo studio è pubblicato sul Journal of American Chemical Society .
I ricercatori hanno utilizzato una molecola a forma di ingranaggio chiamata triariltriazina, che ha un anello triazinico centrale a cui sono attaccati tre anelli di fenilene, che agiscono come i denti di un ingranaggio. Attaccando molecole voluminose e stazionarie agli anelli di fenilene, i ricercatori hanno indotto una disposizione "clutch stack", in cui le molecole di triariltriazina adiacenti vengono ruotate di 60° l'una dall'altra, anziché impilarsi nello stesso orientamento.
"Il design del pacco frizione è stato ispirato dal sistema meccanico della frizione di un'auto", ha affermato il professore associato Mingoo Jin.
Le molecole stazionarie attaccate hanno anche creato spazio sufficiente affinché i tre anelli di fenilene possano ruotare tra due posizioni con un movimento di sbattimento. La disposizione a frizione delle molecole di triariltriazina ha permesso alle molecole adiacenti di agganciarsi l'una all'altra mentre gli anelli di fenilene ruotavano, proprio come gli ingranaggi ad incastro. Ciò ha provocato il movimento correlato di tutte le molecole nella pila.
Quando la temperatura veniva innalzata al di sopra di una certa soglia, si osservava un diverso movimento correlato, in cui gli anelli di fenilene subivano una rotazione di 180°. Questo cambiamento di movimento è stato attribuito a una transizione di fase nel cristallo che ha creato più spazio tra le molecole adiacenti, dando agli anelli di fenilene più spazio per ruotare.
I ricercatori hanno scoperto che questo cambiamento nel movimento potrebbe essere invertito raffreddando il cristallo, segnando la prima volta che un movimento molecolare così controllabile è stato osservato in un solido. L'effetto del cambio molecolare potrebbe essere messo a punto regolando le dimensioni e la struttura della molecola stazionaria attaccata alla molecola dell'ingranaggio. Questa adattabilità apre le porte allo sviluppo di nuovi materiali funzionali che sfruttano le macchine molecolari cristalline.
"La prossima direzione per la nostra ricerca sarebbe quella di utilizzare il movimento molecolare nei cristalli per manipolare le diverse proprietà fisiche dei materiali allo stato solido, come l'emissione di luce o il comportamento termico", ha affermato Jin.
Ulteriori informazioni: Mingoo Jin et al, Una pila di triariltriazine guidata dalla repulsione sterica:rotazioni molecolari correlate e un cambio di marcia termoresponsivo nel solido cristallino, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c08909
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dall'Università di Hokkaido
