En vattenmolekyl ger elektrisk polaritet till fullerensfären som omger den, tillåta strukturen att styras av ett elektriskt fält, även om den förblir elektriskt neutral. Kredit:F. L. Bowles/Univ. av Kalifornien, Davis/PRL
(Phys.org) – Columbia Engineering-forskare har utvecklat en teknik för att isolera en enda vattenmolekyl inuti en buckyball, eller C 60 , och att driva rörelsen hos den så kallade "stora" opolära bollen genom den inkapslade "lilla" polära H 2 O molekyl, en styrande transportmekanism i en nanokanal under ett externt elektriskt fält. De förväntar sig att denna metod kommer att leda till en rad nya applikationer, inklusive effektiva sätt att kontrollera läkemedelsleverans och att montera C 60 -baserade funktionella 3D-strukturer på nanoskalanivå, samt utöka vår förståelse av enstaka molekylegenskaper. Studien publicerades som en "Physics Focus" i 12 april-numret av Fysiska granskningsbrev .
"Buckyballs, mer formellt känd som Buckminsterfullerenes, eller fullerener, är sfäriska, ihåliga molekylära strukturer gjorda av 60 kolatomer, med storleken ~1 nm—6, 000-8, 000 gånger mindre än en vanlig röd blodkropp— och, på grund av deras mycket symmetriska struktur, mycket hydrofob kärna, kovalenta opolära bindningar, och ännu viktigare, relativt icke-toxicitet för människokroppen, de är en perfekt behållare för läkemedelsmolekyler, " förklarar Xi Chen, docent i jord- och miljöteknik, som ledde forskningen. Han och hans team tror att deras arbete är det första försöket att manipulera en opolär molekyl (C 60 ) eller struktur av en insatt polär molekyl (H 2 O).
Chen säger att hans fynd kan öppna ett nytt sätt att kontrollera och leverera en opolär "stor" molekyl som C 60 genom den inkapslade "lilla" polära molekylen som H 2 O. Detta kan leda till viktiga tillämpningar inom nanoteknik- och bioteknikområden, inklusive läkemedelstillförsel där forskare kan "fängsla" de polära läkemedelsmolekylerna inuti en ihålig struktur och sedan vägleda dem till sina mål.
Detta visar strukturen av en enda vattenmolekyl som är fängslad inuti en fulleren C60 vid jämvikt (vänster), och projektionsbanor för den inkapslade H2O-molekylen (masscentrum) inom en period för steady-state transport av H2O@C60 under en elektrisk intensitet av 0,05 V/Å (höger). Kredit:Columbia Engineering
Och, ur en grundläggande synvinkel, han hoppas att de isolerade, inkapslad enskild molekyl, som H 2 O en i hans arbetsrum, kommer att tillhandahålla en viktig plattform för att avslöja och undersöka inneboende egenskaper hos en enskild molekyl, fri från sin yttre miljö.
"Vetebindningarnas viktiga roll i vattnets egenskaper, som ytspänning och viskositet, och de exakta interaktionerna mellan en enda vattenmolekyl och vätebindningar, är fortfarande oklart, " Chen noterar, "så vår nya teknik för att isolera en enda vattenmolekyl fri från vätebindningar ger en möjlighet att besvara dessa frågor."
Sedan upptäckten av C 60 på 1980-talet, forskare har försökt lösa utmaningen att kontrollera ett enda C 60 . Flera mekaniska strategier som involverar AFM (atomic force microscopy) har utvecklats, men dessa är kostsamma och tidskrävande. Förmågan att köra en enda C 60 genom ett enkelt yttre kraftfält, såsom ett elektriskt eller magnetiskt fält, skulle vara ett stort steg framåt.
I Columbia Engineering-studien, forskarna fann att när de inkapslade en polär molekyl i en opolär fulleren, de kunde använda ett externt elektriskt fält för att transportera molekyl@fulleren-strukturerna till önskade positioner och justera transporthastigheten så att både leveransriktning och tid var kontrollerbar. Chens team kom på idén för ett år sedan, och bekräftade deras överraskande resultat genom omfattande atomistiska simuleringar.
Chen planerar att utforska fler egenskaper hos H 2 O@C 60 molekyler och andra liknande strukturer, och att fortsätta undersöka interaktionen och kommunikationen mellan den inkapslade enda vattenmolekylen med dess omgivning.
"Att studera kommunikationen av en fängslad enstaka vattenmolekyl med dess yttre miljö såsom intilliggande molekyler, " han lägger till, "är som att lära sig hur en person som sitter inne i ett rum skapar kontakter med vänner utanför, selektivt på begäran (d.v.s. med kontroll) eller slumpmässigt (utan kontroll) genom, säga, via telefon."
