Un equipo de científicos ha utilizado microondas para desentrañar la estructura exacta de un diminuto motor molecular. La nano-máquina consta de una sola molécula, compuesto por 27 átomos de carbono y 20 átomos de hidrógeno (C27H20). Como un motor macroscópico tiene un estator y un rotor, conectado por un eje. El análisis revela cómo están construidas y dispuestas las partes individuales del motor entre sí. El equipo dirigido por la científica líder de DESY, Melanie Schnell, informa los resultados en la revista. Edición internacional Angewandte Chemie .

El motor molecular artificial fue sintetizado por el equipo del premio Nobel holandés Ben Feringa de la Universidad de Groningen, coautor del artículo. Feringa recibió el Premio Nobel de Química 2016 junto con Jean-Pierre Sauvage de la Universidad de Estrasburgo y Sir Fraser Stoddart de la Universidad Northwestern en los EE. UU. Por el diseño y síntesis de máquinas moleculares.

"El rendimiento funcional de estas nano-máquinas surge claramente de sus propiedades estructurales únicas, "escriben los autores en su estudio." Para comprender mejor y optimizar la maquinaria molecular, es importante conocer su estructura detallada y cómo esta estructura cambia durante los pasos mecánicos clave, preferiblemente en condiciones en las que el sistema no se vea perturbado por influencias externas ".

El motor rotativo investigado aquí es muy prometedor para bastantes aplicaciones, como explica el primer autor Sérgio Domingos de DESY y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD):"Los químicos están entusiasmados con esta molécula y tratan de conectarla con una variedad de otras moléculas". Cuando se activa por la luz, la nano-máquina opera a través de pasos fotoquímicos y térmicos consecutivos, completando media vuelta. Luego, un segundo gatillo obliga al motor a completar un giro completo, volviendo a su posición inicial.

"Esta activación por luz es ideal, ya que proporciona un medio no invasivo y altamente localizado para activar el motor de forma remota, "dice Domingos." Podría usarse, por ejemplo, como una función motora eficiente que se puede integrar con un fármaco, establecer control sobre su acción y liberarlo en un punto específico del cuerpo:los medicamentos activados por luz del futuro. Pero también me vienen a la mente aplicaciones como la catálisis activada por luz y la transmisión de movimiento a nivel molecular al mundo macroscópico. Para tales aplicaciones, es importante comprender en detalle la estructura exacta de la molécula motora y cómo funciona ".

La composición atómica de la molécula motora se había investigado antes con rayos X. Para el análisis de rayos X, las moléculas debían convertirse primero en cristales. Los cristales luego difractan los rayos X de una manera característica, ya partir del patrón de difracción resultante se puede calcular la disposición de los átomos. "A diferencia de, investigamos la flotación libre, moléculas aisladas en un gas, "explica Schnell, que trabaja en el Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), una cooperación entre DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck. "De esta manera podemos ver la molécula tal como es, libre de influencias externas como disolventes o aglutinantes ".

Para determinar su estructura, las moléculas que flotan libremente tuvieron que exponerse a un campo de microondas resonante. "Usamos un campo electromagnético para orientar todas las moléculas en la misma dirección de manera coherente y luego registramos su relajación cuando el campo se apaga, "explica Schnell, quien también dirige un grupo de investigación en MPSD y es profesor de química física en la Universidad de Kiel. "Esto revela las llamadas constantes rotacionales de la molécula, lo que a su vez nos da información precisa sobre su disposición estructural ".

Este análisis de esta llamada espectroscopia de microondas no es sencillo. En el caso de la molécula motora, los científicos tuvieron que hacer coincidir más de 200 líneas del espectro y comparar sus números con simulaciones de cálculos de química cuántica. "En cuanto al número de átomos, el motor molecular actualmente es la molécula más grande cuya estructura se ha resuelto con espectroscopia de microondas, "explica Schnell.

Para hacer flotar las moléculas en la cámara de microondas, tuvieron que calentarse a 180 grados Celsius antes de enfriarse rápidamente a menos 271 grados. "La calefacción hizo que algunos de los motores se averiaran, rompiendo en el eje, "informa Domingos." De esta manera pudimos ver el rotor y el estator independientemente uno del otro, confirmando sus estructuras. Esto también nos proporciona una pista sobre el mecanismo a través del cual se desmorona ".

El análisis final indica algunas pequeñas desviaciones de la estructura determinada con rayos X, donde las moléculas interactúan entre sí en un cristal. "Esto muestra que la estructura del motor se ve claramente afectada por su entorno, "dice Domingos. Aún más importante, la técnica de microondas abre la posibilidad de estudiar la dinámica de la molécula motora. "Ahora que podemos ver la molécula como realmente es, queremos atraparlo en acción, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.