Per sfruttare efficacemente i motori molecolari, devono essere in grado di operare all'unisono. Però, integrare miliardi di questi motori di dimensioni nanometriche in un unico sistema e farli funzionare all'unisono si è rivelata una vera sfida. I chimici organici dell'Università di Groningen sono ora riusciti a integrare numerosi motori rotativi unidirezionali azionati dalla luce in una struttura metallo-organica (un materiale solido con una struttura a gabbia 3D). I dettagli della loro scoperta sono stati pubblicati il ​​18 marzo, nel diario Nanotecnologia della natura .

I motori molecolari rotanti azionati dalla luce furono creati per la prima volta da Ben Feringa, un chimico organico presso l'Università di Groningen. Il Prof. Feringa e altri due hanno condiviso il Premio Nobel per la Chimica 2016 per questa scoperta. Gruppi di vari tipi di motori molecolari su scala nanometrica sono stati attaccati alle superfici e incorporati in gel, cristalli liquidi e fibre muscolari dove possono svolgere lavori su macroscala, attraverso un'azione cooperativa. Però, la creazione di un array ordinato di questi motori in un materiale a stato solido 3-D ha, fino ad ora, rimasto al di fuori della nostra portata.

Cristalli

Un team di scienziati dell'Università di Groningen, guidato da Ben Feringa, Professore assistente Sander Wezenberg, e il professor Wesley Browne, raccolto questa sfida. Ora hanno prodotto un sistema di lavoro contenente 3 x 10 ²⁰ (un tre seguito da 20 zeri) motori rotativi unidirezionali azionati dalla luce per centimetro cubo, che corrono tutti all'unisono.

Gli scienziati hanno alloggiato i motori in strutture metallo-organiche (MOF), gabbie molecolari fatte di metalli con "strutture" interconnesse di molecole organiche. Pile 3D ordinate di queste gabbie molecolari formano cristalli. Una volta cresciuti questi cristalli, il team ha sostituito i pilastri verticali con molecole motorie, utilizzando un processo noto come scambio di linker assistito da solvente. Non è stato possibile inserire i motori in una fase precedente, in quanto non sarebbero stati in grado di resistere alle condizioni necessarie per sintetizzare i MOF.

pilastri

I componenti statorici dei motori molecolari fungono da pilastri delle gabbie, mentre i componenti del rotore rimangono liberi all'interno delle gabbie. Le gabbie sono state progettate per essere sufficientemente grandi da consentire ai motori di funzionare liberamente, senza impedimenti. I motori stessi erano alimentati illuminando il cristallo con luce UV. I test su questi sistemi hanno mostrato che i motori erano prevalentemente orientati nella stessa direzione e che la loro velocità di rotazione era simile alle velocità raggiunte nei liquidi. La squadra era contenta, poiché i precedenti tentativi di altri gruppi di incorporare i rotassani (un altro tipo di macchina molecolare) nei MOF hanno mostrato che questi motori non erano in grado di funzionare liberamente.

Così, è ora possibile creare un "MOF motorizzato, " in cui un gran numero di motori molecolari sono imballati densamente insieme per creare cristalli macroscopici. In teoria, cristalli come questo potrebbero essere usati per controllare la diffusione dei gas, oppure potrebbero funzionare come pompe azionate dalla luce in sistemi microfluidici. Un'altra potenziale applicazione sarebbe quella di alimentare il MOF motorizzato con materiali che reagirebbero poi all'interno delle gabbie prima di essere nuovamente pompati.

Però, sono necessarie molte più ricerche prima che una di queste applicazioni possa diventare realtà. Un potenziale problema, Per esempio, è che i materiali che passano attraverso le gabbie potrebbero interferire con il funzionamento dei motori, causando l'intasamento del sistema. Tuttavia, il sistema presentato dal Prof. Feringa e dal suo team fornirà un trampolino di lancio per ulteriori esplorazioni del comportamento collettivo dei motori rotativi integrati in array 3D.