(PhysOrg.com) -- Kolomeisky och Rice doktorand Alexey Akimov har tagit ett stort steg mot att definiera beteendet hos dessa molekylära virvlar med en ny artikel i American Chemical Societys Journal of Physical Chemistry C. Genom simuleringar av molekylär dynamik, de definierade grundreglerna för rotorrörelsen hos molekyler fästa vid en guldyta.
"Det här är ingen tecknad film. Det är en riktig molekyl, med alla interaktioner som sker korrekt, " sa Anatoly Kolomeisky när han visade en animation av atomer som vrider sig och vänder sig om ett centralt nav som en karnevalstur som blivit galen.
Kolomeisky, en docent vid Rice University i kemi, erbjöd en titt in i en molekylär halvvägs där atomer doppade, dyka och sväva enligt en uppsättning regler som han är fast besluten att avkoda.
Kolomeisky och Rice doktorand Alexey Akimov har tagit ett stort steg mot att definiera beteendet hos dessa molekylära virvlar med en ny artikel i American Chemical Societys Journal of Physical Chemistry C . Genom simuleringar av molekylär dynamik, de definierade grundreglerna för rotorrörelsen hos molekyler fästa vid en guldyta.
Det är en förlängning av deras arbete med Rices berömda nanobilar, utvecklad främst i James Tours labb, Rice's T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik och materialvetenskap och i datavetenskap, men som Kolomeisky också har konstruerat molekylära modeller för.
Att slå ut i en annan riktning, teamet har avkodat flera nyckelegenskaper hos dessa små rotorer, som kan ge ledtrådar till hur molekylära motorer i människokroppar fungerar.
Rörelsen de beskrev finns överallt i naturen, sa Kolomeisky. Det mest synliga exemplet är i flagellerna av bakterier, som använder en enkel rotorrörelse för att röra sig. "När flagellerna vrider sig medurs, bakterierna går framåt. När de vrider moturs, de faller." På en ännu mindre nivå, ATP-syntas, som är ett enzym som är viktigt för överföringen av energi i cellerna i alla levande varelser, uppvisar liknande rotorbeteende - en Nobelprisvinnande upptäckt.
Förstå hur man bygger och kontrollerar molekylära rotorer, speciellt i multiplar, kan leda till några intressanta nya material i den fortsatta utvecklingen av maskiner som kan arbeta på nanoskala, han sa. Kolomeisky förutser, till exempel, radiofilter som bara låter en mycket finjusterad signal passera, beroende på nanorotors frekvens.
"Det skulle vara en oerhört viktig även om det är dyrt, material att tillverka, " sa han. "Men om jag kan skapa hundratals rotorer som rör sig samtidigt under min kontroll, Jag kommer att bli väldigt glad."
Professorn och hans student skär ner antalet parametrar i sin datorsimulering till en delmängd av de som intresserade dem mest, sa Kolomeisky. Grundmodellens molekyl hade en svavelatom i mitten, tätt bundna till ett par alkylkedjor, som vingar, som kunde snurra fritt när de värmdes upp. Svavlet förankrade molekylen till guldytan.
Under arbetet med en tidigare uppsats med forskare vid Tufts University, Kolomeisky och Akimov såg fotografiska bevis på rotorrörelser genom att skanna tunnelmikroskopbilder av svavel/alkylmolekyler uppvärmda på en guldyta. När värmen steg, bilden gick från linjär till rektangulär till hexagonal, indikerar rörelse. Vad bilderna inte indikerade var varför.
Det var där datormodellering var ovärderlig, både på Kolomeisky-labbets egna system och genom Rices SUG@R-plattform, ett delat superdatorkluster. Genom att testa olika teoretiska konfigurationer - några med två symmetriska kedjor, några asymmetriska, några med bara en kedja -- de kunde bestämma en uppsättning sammankopplande egenskaper som styr beteendet hos enmolekylära rotorer.
Först, han sa, guldytmaterialets symmetri och struktur (varav flera typer testades) har stor inverkan på en rotors förmåga att övervinna energibarriären som hindrar den från att snurra hela tiden. När båda armarna är nära ytmolekyler (som stöter bort), barriären är stor. Men om en arm är över ett mellanrum - eller ihåligt - mellan guldatomer, barriären är betydligt mindre.
Andra, symmetriska rotorer snurrar snabbare än asymmetriska. Den längre kedjan i ett asymmetriskt par tar mer energi för att röra sig, och detta orsakar en obalans. I symmetriska rotorer, kedjorna, som stela vingar, kompensera för varandra när ena vingen sjunker ner i en hålighet medan den andra reser sig över en ytmolekyl.
Tredje, Kolomeisky sa, arten av den kemiska bindningen mellan ankaret och kedjorna bestämmer rotorns frihet att snurra.
Till sist, den kemiska naturen hos roterande grupper är också en viktig faktor.
Kolomeisky sa att forskningen öppnar en väg för att simulera mer komplexa rotormolekyler. Kedjorna i ATP-syntas är alldeles för stora för att en simulering ska kunna bråka, "men när datorer blir kraftfullare och våra metoder förbättras, vi kanske en dag kan analysera så långa molekyler, " han sa.
