Molekylära maskiner, mycket mindre än enstaka celler, kanske en dag kan leverera läkemedel för att döda cancerceller eller patrullera din kropp efter tecken på sjukdom. Men många tillämpningar av dessa maskiner kräver stora arrayer av stenhårda rörliga delar, som skulle vara svårt att bygga med typiska biologiska strukturer.

Molekyler som utgör de fasta kristallerna som finns i naturen är i allmänhet så tätt packade att det inte finns plats för någon av dem att röra sig. Så trots deras styrka och hållbarhet, fasta kristaller har i allmänhet inte övervägts för tillämpningar i molekylära maskiner, som måste ha rörliga delar som kan svara på stimuli.

Nu, UCLA-forskare har bildat en kristall av molekyler som liknar gyroskop med solida ramar. Eftersom varje molekyl har ett yttre hölje som omger en roterande axel, kristallen har en solid exteriör men innehåller rörliga delar.

Den nya kristallen, beskrivs i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , är det första beviset på att ett enda material kan vara både statiskt och rörligt, eller amfidynamisk.

"För första gången, vi har ett kristallint fast ämne med element som kan röra sig lika snabbt inuti kristallen som i yttre rymden, sa Miguel García-Garibay, en UCLA-professor i kemi och biokemi och senior författare till studien.

För att skapa repetitiva uppsättningar av molekylära maskiner, eller smarta material, forskare har ofta vänt sig till flytande kristaller, som är konstruerade för att användas i LCD-tv-skärmar men också finns i naturen. Men flytande kristaller är relativt långsamma:varje molekyl måste helt ändra orientering för att ändra hur den interagerar med ljus, för att ändra färg eller visa en ny bild på en skärm, till exempel.

García-Garibay och kollegor siktar på att designa ett kristallint fast material med snabbare rörliga delar. Som utgångspunkt, de ansåg vara större, vardagliga föremål som de kanske kan replikera i mikroskopisk skala.

"Två föremål som vi tyckte var mycket intressanta var kompasser och gyroskop, sa García-Garibay, som också är dekanus för fysiska vetenskaper vid UCLA College. "Vi började skapa storskaliga modeller; jag beställde bokstavligen några hundra leksakskompasser och började bygga strukturer av dem."

Det fanns två nycklar för att efterlikna en kompass eller gyroskop i mindre skala, fann forskarna. Först, strukturens yttre hölje var tvungen att vara tillräckligt stark för att behålla sin form runt mestadels tomt utrymme. Andra, den inre roterande komponenten måste vara så nära sfärisk som möjligt.

Efter lite försök och fel, teamet designade en struktur som fungerade:ett metalloorganiskt hölje som innehåller både metalljoner och en kolryggrad som omger en sfärisk molekyl som kallas bicyklooktan. I experiment, den resulterande föreningen—1, 4-bicyklo[2.2.2]oktan dikarboxylsyra, ett metallorganiskt ramverk som forskarna kallade BODCA-MOF—uppförde sig som ett amfidynamiskt material.

Inte bara det, men datorsimuleringar av kristallen bekräftade vad experimenten visade:de ständigt snurrande BODCA-sfärerna roterade var och en med upp till 50 miljarder rotationer per sekund, lika snabbt som de skulle ha gjort i tomt utrymme, om de roterade medurs eller moturs.

"Vi kunde använda fysikens ekvationer för att validera rörelserna som inträffade i den här strukturen, sa Kendall Houk, UCLA:s Saul Winstein professor i organisk kemi och en av tidningens författare. "Det är en fantastisk upptäckt att du kan ha extremt snabba rörelser inuti den här saken som externt är som en sten."

Efter att ha bevisat att en sådan förening kan existera, forskarna planerar nu att försöka introducera nya egenskaper i BODCA-MOF som skulle möjliggöra en elektrisk, magnetisk eller kemisk stimulans för att ändra molekylernas rörelse.

"Det slutliga målet är att kunna kontrollera rörelse i dessa molekylära maskiner så att vi kan skapa material som svarar på yttre stimuli, " sa García-Garibay. Det kan leda till snabbare datorskärmar och elektroniska skärmar, han lade till, eller teknik som interagerar med radar, ekolod eller kemikalier.

"Med så låga barriärer för rotation, resultaten markerar betydande framsteg mot fritt roterande molekylära komponenter inbäddade i en kristallin matris, och mot potentiell funktionalitet, sa Stuart Brown, en UCLA-professor i fysik och astronomi, och en annan författare till tidningen.