Máquinas moleculares, mucho más pequeño que las celdas individuales, Es posible que algún día pueda administrar medicamentos para matar las células cancerosas o vigilar su cuerpo en busca de signos de enfermedad. Pero muchas aplicaciones de estas máquinas requieren grandes conjuntos de piezas móviles duras como una roca, que sería difícil de construir con estructuras biológicas típicas.

Las moléculas que forman los cristales sólidos que se encuentran en la naturaleza generalmente están tan juntas que no hay espacio para que ninguna de ellas se mueva. Entonces, a pesar de su fuerza y ​​durabilidad, Los cristales sólidos generalmente no se han considerado para aplicaciones en máquinas moleculares. que debe tener partes móviles que puedan responder a los estímulos.

Ahora, Los investigadores de UCLA han formado un cristal a partir de moléculas que se asemejan a giroscopios con marcos sólidos. Dado que cada molécula tiene una carcasa exterior que rodea un eje de rotación, el cristal tiene un exterior sólido pero contiene partes móviles.

El nuevo cristal descrito en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , es la primera prueba de que un solo material puede ser estático y en movimiento, o anfidinámico.

"Por primera vez, tenemos un sólido cristalino con elementos que pueden moverse tan rápido dentro del cristal como lo harían en el espacio exterior, "dijo Miguel García-Garibay, profesor de química y bioquímica de UCLA y autor principal del estudio.

Para crear matrices repetitivas de máquinas moleculares, o materiales inteligentes, los investigadores han recurrido a menudo a los cristales líquidos, que están diseñados para usarse en pantallas de televisión LCD, pero también se encuentran en la naturaleza. Pero los cristales líquidos son relativamente lentos:cada molécula debe cambiar completamente de orientación para alterar la forma en que interactúa con la luz, para cambiar de color o mostrar una nueva imagen en una pantalla, por ejemplo.

García-Garibay y sus colegas se propusieron diseñar un sólido cristalino con partes de movimiento más rápido. Como punto de partida, consideraron más grande, objetos cotidianos que podrían reproducir a escala microscópica.

"Dos objetos que nos parecieron muy interesantes fueron las brújulas y los giroscopios, "dijo García-Garibay, quien también es decano de ciencias físicas en el UCLA College. "Comenzamos a crear modelos a gran escala; literalmente pedí unos cientos de brújulas de juguete y comencé a construir estructuras con ellas".

Había dos claves para imitar una brújula o un giroscopio a menor escala, los investigadores encontraron. Primero, La carcasa exterior de la estructura tenía que ser lo suficientemente fuerte para mantener su forma alrededor de un espacio mayormente vacío. Segundo, el componente giratorio interior tenía que ser lo más esférico posible.

Después de un poco de prueba y error, el equipo diseñó una estructura que funcionó:una caja metaloorgánica que contiene iones metálicos y una columna vertebral de carbono que rodea una molécula esférica llamada biciclooctano. En experimentos, el compuesto resultante — 1, Ácido 4-biciclo [2.2.2] octano dicarboxílico, un marco metal-orgánico que los investigadores llamaron BODCA-MOF, se comportó como un material anfidinámico.

No solo eso, pero las simulaciones por computadora del cristal confirmaron lo que mostraban los experimentos:las esferas BODCA que giraban constantemente giraban cada una a una velocidad de hasta 50 mil millones de rotaciones por segundo, tan rápido como lo hubieran hecho en un espacio vacío, si estaban girando en sentido horario o antihorario.

"Pudimos usar las ecuaciones de la física para validar los movimientos que estaban ocurriendo en esta estructura, "dijo Kendall Houk, Profesor Saul Winstein de UCLA de Química Orgánica y uno de los autores del artículo. "Es un descubrimiento asombroso que puedas tener movimientos extremadamente rápidos dentro de esta cosa que externamente es como una roca".

Habiendo probado que tal compuesto puede existir, los investigadores ahora planean intentar introducir nuevas propiedades en BODCA-MOF que permitirían una electricidad, estímulo magnético o químico para alterar el movimiento de las moléculas.

"El objetivo final es poder controlar el movimiento en estas máquinas moleculares para que podamos crear materiales que respondan a los estímulos externos, ", Dijo García-Garibay. Eso podría conducir a pantallas electrónicas y de computadora más rápidas, él agregó, o tecnologías que interactúan con el radar, sonar o productos químicos.

"Con barreras tan bajas para la rotación, los resultados marcan un progreso sustancial hacia componentes moleculares que giran libremente incrustados en una matriz cristalina, y hacia la funcionalidad potencial, "dijo Stuart Brown, un profesor de física y astronomía de UCLA, y otro autor del artículo.