Investigadores de nanociencia de UCLA han determinado que un fluido que se comporta de manera similar al agua en nuestra vida cotidiana se vuelve tan pesado como la miel cuando queda atrapado en una nanojaula de un sólido poroso. ofreciendo nuevos conocimientos sobre cómo se comporta la materia en el mundo a nanoescala.

"Estamos aprendiendo cada vez más sobre las propiedades de la materia a nanoescala para que podamos diseñar máquinas con funciones específicas, "dijo el autor principal Miguel García-Garibay, decano de la División de Ciencias Físicas de UCLA y profesor de química y bioquímica.

La investigación se publica en la revista Ciencia Central ACS .

¿Qué tan pequeña es la nanoescala? Un nanómetro es menos de 1/1, 000 del tamaño de un glóbulo rojo y aproximadamente 1/20, 000 el diámetro de un cabello humano. A pesar de años de investigación por parte de científicos de todo el mundo, el tamaño extraordinariamente pequeño de la materia a nanoescala ha hecho que sea difícil aprender cómo funciona el movimiento a esta escala.

"Esta interesante investigación, apoyado por la National Science Foundation, representa un avance fundamental en el campo de las máquinas moleculares, "dijo Eugene Zubarev, un director de programa en la NSF. "Sin duda, estimulará el trabajo futuro, tanto en investigación básica como en aplicaciones de la vida real de la electrónica molecular y dispositivos miniaturizados. Miguel García-Garibay se encuentra entre los pioneros en este campo y tiene un historial muy sólido de trabajo de alto impacto y descubrimientos innovadores ".

Los posibles usos de las nanomáquinas complejas que podrían ser mucho más pequeñas que una celda incluyen colocar un producto farmacéutico en una nanojaula y liberar la carga dentro de una celda. matar una célula cancerosa, por ejemplo; transporte de moléculas por motivos médicos; diseñar computadoras moleculares que potencialmente podrían colocarse dentro de su cuerpo para detectar enfermedades antes de que se dé cuenta de cualquier síntoma; o quizás incluso para diseñar nuevas formas de materia.

Para obtener esta nueva comprensión del comportamiento de la materia a nanoescala, El grupo de investigación de García-Garibay diseñó tres nanomateriales rotativos conocidos como MOF, o armazones organometálicos, que ellos llaman UCLA-R1, UCLA-R2 y UCLA-R3 (la "r" significa rotor). MOF, a veces descrito como esponjas de cristal, tienen poros:aberturas que pueden almacenar gases, o en este caso, líquido.

El estudio del movimiento de los rotores permitió a los investigadores aislar el papel que juega la viscosidad de un fluido a nanoescala. Con UCLA-R1 y UCLA-R2, los rotores moleculares ocupan un espacio muy pequeño y obstaculizan el movimiento de los demás. Pero en el caso de UCLA-R3, nada frenaba los rotores dentro de la nanojaula, excepto las moléculas de líquido.

El grupo de investigación de García-Garibay midió qué tan rápido giraban las moléculas en los cristales. Cada cristal tiene billones de moléculas que giran dentro de una nanojaula, y los químicos conocen la posición de cada molécula.

UCLA-R3 se construyó con grandes rotores moleculares que se mueven bajo la influencia de las fuerzas viscosas ejercidas por 10 moléculas de líquido atrapadas en su entorno a nanoescala.

"Es muy común cuando se tiene un grupo de moléculas en rotación que los rotores se vean obstaculizados por algo dentro de la estructura con la que interactúan, pero no en UCLA-R3, "dijo García-Garibay, miembro del California NanoSystems Institute de UCLA. "El diseño de UCLA-R3 fue exitoso. Queremos poder controlar la viscosidad para hacer que los rotores interactúen entre sí; queremos comprender la viscosidad y la energía térmica para diseñar moléculas que muestren acciones particulares. Queremos controlar las interacciones entre moléculas para que puedan interactuar entre sí y con campos eléctricos externos ".

El equipo de investigación de García-Garibay lleva 10 años trabajando en el movimiento de cristales y en el diseño de motores moleculares en cristales. ¿Por qué es esto tan importante?

"Puedo obtener una imagen precisa de las moléculas en los cristales, la disposición precisa de los átomos, sin incertidumbre, García-Garibay dijo. "Esto proporciona un gran nivel de control, lo que nos permite conocer los diferentes principios que gobiernan las funciones moleculares a nanoescala ".

García-Garibay espera diseñar cristales que aprovechen las propiedades de la luz, y cuyas aplicaciones podrían incluir avances en la tecnología de las comunicaciones, computación óptica, la detección y el campo de la fotónica, que aprovecha las propiedades de la luz; la luz puede tener suficiente energía para romperse y formar enlaces en moléculas.

"Si somos capaces de convertir la luz, que es energía electromagnética, en movimiento, o convertir el movimiento en energía eléctrica, entonces tenemos el potencial de hacer que los dispositivos moleculares sean mucho más pequeños, ", dijo." Habrá muchos, muchas posibilidades de lo que podemos hacer con las máquinas moleculares. Todavía no entendemos completamente cuál es el potencial de la maquinaria molecular, pero hay muchas aplicaciones que se pueden desarrollar una vez que desarrollemos una comprensión profunda de cómo se produce el movimiento en los sólidos ".

Los coautores son el autor principal Xing Jiang, un estudiante graduado de UCLA en el laboratorio de García-Garibay, quien este año completó su doctorado; Hai-Bao Duan, un académico visitante de la Universidad Nanjing Xiao Zhuang de China que pasó un año realizando investigaciones en el laboratorio de García-Garibay; y Saeed Khan, un cristalógrafo de UCLA en el departamento de química y bioquímica.