(PhysOrg.com) -- Kolomeisky e lo studente laureato Rice Alexey Akimov hanno fatto un grande passo avanti verso la definizione del comportamento di queste trottole molecolari con un nuovo articolo sul Journal of Physical Chemistry C dell'American Chemical Society. Attraverso simulazioni di dinamica molecolare, hanno definito le regole di base per il movimento del rotore di molecole attaccate a una superficie d'oro.

"Questo non è un cartone animato. È una vera molecola, con tutte le interazioni che si svolgono correttamente, " ha detto Anatoly Kolomeisky mentre mostrava un'animazione di atomi che si attorcigliavano e ruotavano attorno a un mozzo centrale come una giostra impazzita.

Kolomeisky, un professore associato di chimica della Rice University, offriva una sbirciatina in una via molecolare in cui gli atomi si immergono, tuffarsi e volare secondo una serie di regole che è determinato a decodificare.

Kolomeisky e lo studente laureato Rice, Alexey Akimov, hanno compiuto un grande passo avanti verso la definizione del comportamento di queste trottole molecolari con un nuovo articolo dell'American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C . Attraverso simulazioni di dinamica molecolare, hanno definito le regole di base per il movimento del rotore di molecole attaccate a una superficie d'oro.

È un'estensione del loro lavoro sulle famose nanocar di Rice, sviluppato principalmente nel laboratorio di James Tour, T.T. e W.F. di Rice Chao Chair in Chimica nonché professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di informatica, ma per i quali Kolomeisky ha anche costruito modelli molecolari.

Colpire in una direzione diversa, il team ha decodificato diverse caratteristiche chiave di questi minuscoli rotori, che potrebbe contenere indizi sui modi in cui funzionano i motori molecolari nei corpi umani.

Il movimento che hanno descritto si trova ovunque in natura, disse Kolomeisky. L'esempio più visibile è nei flagelli dei batteri, che utilizzano un semplice movimento del rotore per muoversi. "Quando i flagelli girano in senso orario, i batteri avanzano. Quando girano in senso antiorario, cadono." A un livello ancora più piccolo, ATP-sintasi, che è un enzima importante per il trasferimento di energia nelle cellule di tutti gli esseri viventi, mostra un comportamento del rotore simile, una scoperta vincitrice del premio Nobel.

Capire come costruire e controllare i rotori molecolari, soprattutto in multipli, potrebbe portare ad alcuni nuovi materiali interessanti nel continuo sviluppo di macchine in grado di lavorare su scala nanometrica, Egli ha detto. Kolomeisky prevede, ad esempio, filtri radio che lascerebbero passare solo un segnale molto finemente sintonizzato, a seconda della frequenza dei nanorotori.

"Sarebbe estremamente importante, sebbene costoso, materiale da realizzare, " ha detto. "Ma se posso creare centinaia di rotori che si muovono contemporaneamente sotto il mio controllo, Sarò molto felice."

Il professore e il suo studente hanno tagliato il numero di parametri nella loro simulazione al computer a un sottoinsieme di quelli che più li interessavano, disse Kolomeisky. La molecola modello base aveva un atomo di zolfo nel mezzo, strettamente legato a una coppia di catene alchiliche, come ali, che erano in grado di ruotare liberamente quando riscaldati. Lo zolfo ancorava la molecola alla superficie dell'oro.

Mentre lavorava su un precedente documento con i ricercatori della Tufts University, Kolomeisky e Akimov hanno visto prove fotografiche del movimento del rotore scansionando immagini al microscopio a effetto tunnel di molecole di zolfo/alchile riscaldate su una superficie d'oro. Mentre il calore aumentava, l'immagine è passata da lineare a rettangolare a esagonale, indicando il movimento. Ciò che le immagini non indicavano era il motivo.

Ecco dove la modellazione al computer era inestimabile, sia sui sistemi del laboratorio Kolomeisky che attraverso la piattaforma SUG@R di Rice, un cluster di supercomputer condiviso. Testando varie configurazioni teoriche, alcune con due catene simmetriche, alcuni asimmetrici, alcuni con una sola catena:sono stati in grado di determinare una serie di caratteristiche di incastro che controllano il comportamento dei rotori a singola molecola.

Primo, Egli ha detto, la simmetria e la struttura del materiale di superficie dell'oro (di cui sono stati testati diversi tipi) ha una grande influenza sulla capacità di un rotore di superare la barriera energetica che gli impedisce di girare continuamente. Quando entrambi i bracci sono vicini alle molecole di superficie (che si respingono), la barriera è grande. Ma se un braccio è sopra uno spazio - o cavo - tra atomi d'oro, la barriera è notevolmente più piccola.

Secondo, i rotori simmetrici girano più velocemente di quelli asimmetrici. La catena più lunga in una coppia asimmetrica richiede più energia per muoversi, e questo provoca uno squilibrio. Nei rotori simmetrici, le catene, come ali rigide, compensarsi a vicenda quando un'ala si immerge in una cavità mentre l'altra si alza su una molecola di superficie.

Terzo, Kolomeisky ha detto, la natura del legame chimico tra l'ancora e le catene determina la libertà di rotazione del rotore.

Finalmente, anche la natura chimica dei gruppi rotanti è un fattore importante.

Kolomeisky ha affermato che la ricerca apre la strada alla simulazione di molecole di rotore più complesse. Le catene nell'ATP-sintetasi sono troppo grandi per essere combattute da una simulazione, "ma man mano che i computer diventano più potenti e i nostri metodi migliorano, potremmo un giorno essere in grado di analizzare molecole così lunghe, " Egli ha detto.