Una molecola d'acqua conferisce polarità elettrica alla sfera di fullerene che la circonda, permettendo alla struttura di essere guidata da un campo elettrico, anche se rimane elettricamente neutro. Credito:F. L. Bowles/Univ. della California, Davis/PRL
(Phys.org) — I ricercatori della Columbia Engineering hanno sviluppato una tecnica per isolare una singola molecola d'acqua all'interno di un buckyball, o C 60 , e guidare il movimento della cosiddetta "grande" palla non polare attraverso il "piccolo" polare H . incapsulato 2 O molecola, un meccanismo di trasporto di controllo in un nanocanale sotto un campo elettrico esterno. Si aspettano che questo metodo porterà a una serie di nuove applicazioni, compresi modi efficaci per controllare la somministrazione di farmaci e per assemblare C 60 strutture 3D funzionali basate su nanoscala, oltre ad ampliare la nostra comprensione delle proprietà delle singole molecole. Lo studio è stato pubblicato come "Physics Focus" nel numero del 12 aprile di Lettere di revisione fisica .
"Bullyball, più formalmente conosciuti come Buckminsterfullereni, o fullereni, sono sferici, strutture molecolari cave composte da 60 atomi di carbonio, con la dimensione di ~1 nm—6, 000-8, 000 volte più piccolo di un normale globulo rosso e, a causa della loro struttura altamente simmetrica, nucleo molto idrofobo, legami covalenti non polari, e, cosa più importante, relativamente non tossicità per il corpo umano, sono un perfetto contenitore per le molecole dei farmaci, " spiega Xi Chen, professore associato di ingegneria della terra e dell'ambiente, che ha condotto la ricerca. Lui e il suo team credono che il loro lavoro sia il primo tentativo di manipolare una molecola non polare (C 60 ) o struttura da una molecola polare inserita (H 2 O).
Chen afferma che le sue scoperte potrebbero aprire un nuovo modo di controllare e fornire una "grande" molecola non polare come C 60 attraverso la "piccola" molecola polare incapsulata come H 2 O. Ciò potrebbe portare a importanti applicazioni nei settori delle nanotecnologie e delle biotecnologie, inclusa la somministrazione di farmaci in cui i ricercatori possono "imprigionare" le molecole polari del farmaco all'interno di una struttura cava e quindi guidarle verso i loro obiettivi.
Questo mostra la struttura di una singola molecola d'acqua imprigionata all'interno di un fullerene C60 all'equilibrio (a sinistra), e traiettorie di proiezione della molecola di H2O incapsulata (centro di massa) entro un periodo per il trasporto allo stato stazionario di H2O@C60 con un'intensità elettrica di 0,05 V/Å (a destra). Credito:Columbia Engineering
E, da un punto di vista fondamentale, spera che l'isolato, singola molecola incapsulata, come l'H 2 O uno nel suo studio, fornirà un'importante piattaforma per rivelare e sondare le caratteristiche intrinseche di una singola molecola, libera dal suo ambiente esterno.
"L'importante ruolo dei legami idrogeno nelle proprietà dell'acqua, come la tensione superficiale e la viscosità, e le precise interazioni tra una singola molecola d'acqua e i legami idrogeno, sono ancora poco chiare, " Chen nota, "quindi la nostra nuova tecnica per isolare una singola molecola d'acqua libera da qualsiasi legame idrogeno offre l'opportunità di rispondere a queste domande".
Dalla scoperta di C 60 negli anni '80, gli scienziati hanno cercato di risolvere la sfida del controllo di un singolo C 60 . Sono state sviluppate diverse strategie meccaniche che coinvolgono l'AFM (microscopia a forza atomica), ma questi sono costosi e richiedono molto tempo. La capacità di guidare un singolo C 60 attraverso un semplice campo di forze esterne, come un campo elettrico o magnetico, sarebbe un grande passo avanti.
Nello studio di ingegneria della Columbia, i ricercatori hanno scoperto che, quando hanno incapsulato una molecola polare all'interno di un fullerene non polare, potevano utilizzare un campo elettrico esterno per trasportare le strutture molecola@fullerene nelle posizioni desiderate e regolare la velocità di trasporto in modo che sia la direzione che il tempo di erogazione fossero controllabili. Il team di Chen ha avuto l'idea un anno fa, e hanno confermato i loro sorprendenti risultati attraverso ampie simulazioni atomistiche.
Chen ha in programma di esplorare più proprietà dell'H 2 O@C 60 molecola e altre strutture simili, e continuare a sondare l'interazione e la comunicazione della singola molecola d'acqua incapsulata con l'ambiente circostante.
"Studiando la comunicazione di una singola molecola d'acqua imprigionata con il suo ambiente esterno come le molecole adiacenti, " Aggiunge, "è come imparare come una persona seduta all'interno di una stanza stabilisce connessioni con gli amici all'esterno, selettivamente su richiesta (cioè con controllo) o casualmente (senza controllo) attraverso, dire, per telefono."
