Un equipo de científicos ha utilizado microondas para desentrañar la estructura exacta de un pequeño motor molecular. La nano-máquina consta de una sola molécula, compuesta de 27 átomos de carbono y 20 átomos de hidrógeno C27H20. Al igual que un motor macroscópico, tieneun estator y un rotor, conectados por un eje. El análisis revela cómo se construyen y organizan 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 Universidadde Estrasburgo y Sir Fraser Stoddart de la Northwestern University en los Estados Unidos para el diseño y síntesis de máquinas moleculares.
"El rendimiento funcional de tales nanomáquinas emerge 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 la clavepasos mecánicos, preferiblemente en condiciones en las que el sistema no se ve 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 e intentanpara conectarlo con un rango de otras moléculas ". Cuando se activa por la luz, la nano-máquina opera a través de pasos fotoquímicos y térmicos consecutivos, completando media vuelta. Un segundo disparador obliga al motor a completar una vuelta completa, volviendo a su arranqueposición.
"Tal activación por la luz es ideal ya que proporciona un medio no invasivo y altamente localizado para activar remotamente el motor", dice Domingos. "Podría usarse, por ejemplo, como una función motora eficiente que puede integrarse conun fármaco, que establece el control sobre su acción y lo libera en un punto específico del cuerpo: los fármacos del futuro activados por la luz, pero también llegan aplicaciones como la catálisis activada por la luz y la transmisión del movimiento a nivel molecular al mundo macroscópicotener en cuenta. Para tales aplicaciones, es importante comprender la estructura exacta de la molécula motora y cómo funciona en detalle ".
La composición atómica de la molécula motora se había investigado antes con rayos X. Para el análisis de rayos X, las moléculas tenían que crecer 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. "Por el contrario, investigamos las moléculas aisladas y flotantes libres en un gas", explica Schnell, quien trabaja en el Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL, una cooperación entreDESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck. "De esta manera podemos ver la molécula tal como es, libre de influencias externas como solventes o enlaces".
Para determinar su estructura, las moléculas que flotan libremente tuvieron que exponerse a un campo de microondas resonante ". Utilizamos un campo electromagnético para orientar las moléculas en la misma dirección de manera coherente y luego registramos su relajación cuando elel campo está apagado ", 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, que a su vez nos dan información precisa.sobre su disposición estructural "
Este análisis de esta llamada espectroscopía de microondas no es sencillo. En el caso de la molécula motora, los científicos tuvieron que unir más de 200 líneas del espectro y comparar sus números con simulaciones de cálculos de química cuántica ".de átomos, el motor molecular actualmente es la molécula más grande cuya estructura se ha resuelto con espectroscopía 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. "El calentamiento hizo que algunos de los motores se cayeran, rompiéndose en el eje", informa Domingos"De esta manera, podríamos ver el rotor y el estator independientemente uno del otro, confirmando sus estructuras. Esto también nos da 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 atraparla en acción", subraya Domingos. El rotor pasa por un intermedioindica que dura aproximadamente tres minutos, el tiempo suficiente para ser investigado con espectroscopía de microondas. Los investigadores ya están planeando tales investigaciones de las cuales esperan aprender en detalle cómo funciona el motor molecular.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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