I ricercatori di nanoscienza dell'UCLA hanno determinato che un fluido che si comporta in modo simile all'acqua nella nostra vita quotidiana diventa pesante come il miele quando intrappolato in una nanogabbia di un solido poroso, offrendo nuove intuizioni su come si comporta la materia nel mondo su scala nanometrica.

"Stiamo imparando sempre di più sulle proprietà della materia su scala nanometrica in modo da poter progettare macchine con funzioni specifiche, " ha detto l'autore senior Miguel García-Garibay, decano della Divisione di Scienze Fisiche dell'UCLA e professore di chimica e biochimica.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Scienze Centrali ACS .

Quanto è piccola la nanoscala? Un nanometro è inferiore a 1/1, 000 delle dimensioni di un globulo rosso e circa 1/20, 000 il diametro di un capello umano. Nonostante anni di ricerche da parte di scienziati di tutto il mondo, le dimensioni straordinariamente piccole della materia su scala nanometrica hanno reso difficile imparare come funziona il movimento su questa scala.

"Questa ricerca entusiasmante, sostenuto dalla National Science Foundation, rappresenta un progresso seminale nel campo delle macchine molecolari, " disse Eugenio Zubarev, un direttore di programma presso la NSF. "Sicuramente stimolerà ulteriori lavori, sia nella ricerca di base che nelle applicazioni reali dell'elettronica molecolare e dei dispositivi miniaturizzati. Miguel Garcia-Garibay è tra i pionieri in questo campo e ha un record molto forte di lavori ad alto impatto e scoperte rivoluzionarie".

I possibili usi per nanomacchine complesse che potrebbero essere molto più piccole di una cella includono il posizionamento di un farmaco in una nanogabbia e il rilascio del carico all'interno di una cella, uccidere una cellula cancerosa, Per esempio; trasportare molecole per ragioni mediche; progettare computer molecolari che potenzialmente potrebbero essere collocati all'interno del tuo corpo per rilevare la malattia prima che tu sia consapevole di qualsiasi sintomo; o forse anche per disegnare nuove forme di materia.

Per acquisire questa nuova comprensione del comportamento della materia su scala nanometrica, Il gruppo di ricerca di García-Garibay ha progettato tre nanomateriali rotanti noti come MOF, o strutture metallo-organiche, che chiamano UCLA-R1, UCLA-R2 e UCLA-R3 (la "r" sta per rotore). MOF, a volte descritti come spugne di cristallo, hanno pori, aperture che possono immagazzinare gas, o in questo caso, liquido.

Lo studio del movimento dei rotori ha permesso ai ricercatori di isolare il ruolo svolto dalla viscosità di un fluido su scala nanometrica. Con UCLA-R1 e UCLA-R2 i rotori molecolari occupano uno spazio molto piccolo e si ostacolano a vicenda. Ma nel caso dell'UCLA-R3, niente ha rallentato i rotori all'interno della nanogabbia tranne le molecole di liquido.

Il gruppo di ricerca di García-Garibay ha misurato la velocità di rotazione delle molecole nei cristalli. Ogni cristallo ha quadrilioni di molecole che ruotano all'interno di una nanogabbia, ei chimici conoscono la posizione di ogni molecola.

UCLA-R3 è stato costruito con grandi rotori molecolari che si muovono sotto l'influenza delle forze viscose esercitate da 10 molecole di liquido intrappolate nei loro dintorni su scala nanometrica.

"È molto comune quando si dispone di un gruppo di molecole rotanti che i rotori siano ostacolati da qualcosa all'interno della struttura con cui interagiscono, ma non in UCLA-R3, " disse García-Garibay, un membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA. "Il design di UCLA-R3 ha avuto successo. Vogliamo essere in grado di controllare la viscosità per far interagire i rotori tra loro; vogliamo capire la viscosità e l'energia termica per progettare molecole che mostrano azioni particolari. Vogliamo controllare le interazioni tra le molecole in modo che possano interagire tra loro e con campi elettrici esterni."

Il team di ricerca di García-Garibay lavora da 10 anni sul movimento nei cristalli e sulla progettazione di motori molecolari nei cristalli. Perché è così importante?

"Posso avere un quadro preciso delle molecole nei cristalli, la precisa disposizione degli atomi, senza incertezza, " García-Garibay ha detto. "Questo fornisce un ampio livello di controllo, che ci consente di apprendere i diversi principi che governano le funzioni molecolari su scala nanometrica".

García-Garibay spera di progettare cristalli che sfruttino le proprietà della luce, e le cui applicazioni potrebbero includere progressi nella tecnologia delle comunicazioni, informatica ottica, sensing e il campo della fotonica, che sfrutta le proprietà della luce; la luce può avere energia sufficiente per rompere e creare legami nelle molecole.

"Se siamo in grado di convertire la luce, che è energia elettromagnetica, in movimento, o convertire il moto in energia elettrica, allora abbiamo il potenziale per rendere i dispositivi molecolari molto più piccoli, " disse. "Ci saranno molti, molte possibilità per ciò che possiamo fare con le macchine molecolari. Non abbiamo ancora compreso appieno quale sia il potenziale del macchinario molecolare, ma ci sono molte applicazioni che possono essere sviluppate una volta che avremo sviluppato una profonda comprensione di come avviene il movimento nei solidi."

I coautori sono l'autore principale Xing Jiang, uno studente laureato UCLA nel laboratorio di García-Garibay, che quest'anno ha completato il suo dottorato di ricerca; Hai Bao Duan, uno studioso in visita dell'Università cinese di Nanchino Xiao Zhuang che ha trascorso un anno a condurre ricerche nel laboratorio di García-Garibay; e Saeed Khan, un cristallografo UCLA nel dipartimento di chimica e biochimica.