I årtionden, Texas A&M University kemist Dr. John A. Gladysz har blandat metaller och kol för att skapa nya molekyler, från världens längsta molekyltrådar till mikroskopiska gyroskop som kan styras av burstorlek, molekylär åtkomst och till och med utvecklas mot enriktad rotation via extern elektrisk fältmanipulation.

I en senaste prestation, Gladysz och hans forskargrupp har gjort en ny typ av molekylär rotor som visar löften för framtida utveckling som en funktionell molekylär maskin som kan manipulera materia på atom- och subatomära nivåer och omvandla flera grenar av kemi, tillsammans med otaliga relaterade sektorer och branscher.

Texas A&M Chemistry Ph.D. kandidaterna Andreas Ehnbom och Sugam Kharel, postdoktorer Tobias Fiedler och Hemant Joshi, och röntgendiffraktionslaboratoriets assisterande chef Nattamai Bhuvanesh går med i Gladysz som medförfattare i National Science Foundation-finansierat arbete, detaljerad i omslagsberättelsen för veckans upplaga av Journal of the American Chemical Society .

Gladysz-gruppen använde en metod som kallas olefinmetatese som erkändes med Nobelpriset i kemi 2005 för att syntetisera en serie platinakomplex med makrocykliska ringligander som kan vända över platina i en konformationsförändring som påminner om dubbel-holländsk rephoppning. Forskarna övervann betydande syntetiska utmaningar för att uppnå oöverträffade molekylrörelser, ofta centrerad på en kärnrotation som framkallar ett trippelaxelåkningshopp.

Förutom att karakterisera de nya molekylerna med olika fysiska metoder, forskarna använde beräkningsmetoder som finns tillgängliga genom Laboratory for Molecular Simulation (LMS) samt superdator- och dataanalysteknik via Texas A&M High Performance Research Computing för att ytterligare förstå vilka rörelser dessa molekyler kan genomgå.

"Liknande föreningar har rapporterats tidigare men med endast en makrocyklisk ring, "sa Ehnbom, som förutom Gladysz också arbetar med Texas A&M teoretisk kemist och LMS -chef Dr. Michael B. Hall.

"Våra har tre ringar och kan därför genomgå en" trippel-hopp-rep "-mekanism, som är utan motstycke, "Tillade Joshi.

Molekylära maskiner - små strukturer med kontrollerbara rörelser som kan utföra en mängd olika uppgifter när energi läggs till ekvationen - gjorde stora framsteg och rubriker som föremål för Nobelpriset i kemi 2016. Lika mångsidiga som de är mäktiga, dessa enheter kan eventuellt användas som molekylära switchar och motormolekyler och sedan appliceras på tillverkning av nanoelektroniska enheter, nanoelektromekaniska system (NEMS) och läkemedelsleveranssystem med valfritt antal potentiella tillämpningar inom kemi, materialvetenskap och teknik, industri och medicin.

"Forskare har bedrivit syntesen av molekyler med arkitekturer som möjliggör kontrollerade rörelser under mycket lång tid, och det är ett alltmer aktivt forskningsområde, vilket framgår av Nobelpriset 2016, "Sa Gladysz." Med hjälp av sådana molekyler, det borde vara möjligt att designa och utveckla funktionella molekylära maskiner som kan manipulera materia på atomnivå, vilket skulle vara revolutionerande. Vi är fortfarande långt ifrån att nå detta mål, men nu, vi är ett steg närmare. "

Ehnbom noterar att ett viktigt nästa steg är att ta reda på hur man kontrollerar rörelsen av deras föreningar, som för närvarande är slumpmässigt, inte till skillnad från verkliga motorer och motorer. Teamet planerar att använda toppmoderna beräkningsmodeller för att simulera sådan rotation, därigenom få en bättre förståelse för de faktorer som styr det för att ytterligare finslipa deras design, från efterföljande rotorer till experiment. Trots allt, framtiden - och genomförbar tillämpning - beror på den.

"Om forskare någonsin lyckas syntetisera funktionella molekylära maskiner, möjligheterna är oändliga och sträcker sig från transport på molekylär nivå, eller leverans av medicin i kroppen, till manipulation av mikroskopiska strukturer, eller syntes av kemikalier, till databehandling och lagring, "tillade Kharel, som just avslutat sin Texas A&M Ph.D.

Lagets papper, "Trefoldig intramolekylär ring som stänger alkenmetater av kvadratiska plana komplex med cis-fosfordonatorligander P (X (CH2) mCH =CH2) 3 (X =-, m =5–10; X =O, m =3–5):Synteser, Strukturer, och termiska egenskaper hos makrocykliska Dibridgehead -difosforkomplex, "kan ses online tillsammans med relaterade figurer och bildtexter.