UCLA nanovetenskapliga forskare har fastställt att en vätska som beter sig på samma sätt som vatten i våra dagliga liv blir lika tung som honung när den fångas i en nanocage av ett poröst fast ämne, ger nya insikter om hur materia beter sig i nanoskalavärlden.

"Vi lär oss mer och mer om materiens egenskaper på nanoskala så att vi kan designa maskiner med specifika funktioner, " sa seniorförfattaren Miguel García-Garibay, dekanus vid UCLA-avdelningen för fysikaliska vetenskaper och professor i kemi och biokemi.

Forskningen publiceras i tidskriften ACS Central Science .

Hur liten är nanoskalan? En nanometer är mindre än 1/1, 000 storleken på en röd blodkropp och cirka 1/20, 000 diametern av ett människohår. Trots år av forskning av forskare runt om i världen, den utomordentligt lilla storleken på materia på nanoskala har gjort det utmanande att lära sig hur rörelse fungerar i denna skala.

"Denna spännande forskning, med stöd av National Science Foundation, representerar ett betydande framsteg inom molekylära maskiner, sa Eugene Zubarev, en programdirektör på NSF. "Det kommer säkert att stimulera ytterligare arbete, både inom grundforskning och verkliga tillämpningar av molekylär elektronik och miniatyriserade enheter. Miguel Garcia-Garibay är bland pionjärerna inom detta område och har en mycket stark historik av högintensivt arbete och banbrytande upptäckter."

Möjliga användningsområden för komplexa nanomaskiner som kan vara mycket mindre än en cell inkluderar att placera ett läkemedel i en nanocage och släppa ut lasten inuti en cell, att döda en cancercell, till exempel; transport av molekyler av medicinska skäl; designa molekylära datorer som potentiellt kan placeras inuti din kropp för att upptäcka sjukdomar innan du är medveten om några symtom; eller kanske till och med att designa nya former av materia.

För att få denna nya förståelse av materiens beteende på nanoskala, García-Garibays forskargrupp designade tre roterande nanomaterial som kallas MOF, eller metallorganiska ramverk, som de kallar UCLA-R1, UCLA-R2 och UCLA-R3 ("r" står för rotor). MOF, ibland beskrivs som kristallsvampar, har porer – öppningar som kan lagra gaser, eller i det här fallet, flytande.

Att studera rotorernas rörelse gjorde det möjligt för forskarna att isolera rollen som en vätskas viskositet spelar på nanoskala. Med UCLA-R1 och UCLA-R2 tar de molekylära rotorerna ett mycket litet utrymme och hindrar varandras rörelse. Men i fallet med UCLA-R3, ingenting saktade ner rotorerna inuti nanocage förutom vätskemolekyler.

García-Garibays forskargrupp mätte hur snabbt molekyler roterade i kristallerna. Varje kristall har kvadriljoner molekyler som roterar inuti en nanocage, och kemisterna känner till varje molekyls position.

UCLA-R3 byggdes med stora molekylära rotorer som rör sig under påverkan av de viskösa krafterna som utövas av 10 vätskemolekyler fångade i deras nanoskala omgivning.

"Det är väldigt vanligt när man har en grupp roterande molekyler att rotorerna hindras av något i strukturen som de interagerar med - men inte i UCLA-R3, sa García-Garibay, en medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA. "Utformningen av UCLA-R3 var framgångsrik. Vi vill kunna kontrollera viskositeten för att få rotorerna att interagera med varandra; vi vill förstå viskositeten och den termiska energin för att designa molekyler som visar speciella handlingar. Vi vill kontrollera interaktionerna mellan molekyler så att de kan interagera med varandra och med yttre elektriska fält."

García-Garibays forskargrupp har arbetat i 10 år med rörelse i kristaller och design av molekylära motorer i kristaller. Varför är detta så viktigt?

"Jag kan få en exakt bild av molekylerna i kristallerna, det exakta arrangemanget av atomer, utan osäkerhet, ", sa García-Garibay. "Detta ger en stor nivå av kontroll, vilket gör det möjligt för oss att lära oss de olika principerna som styr molekylära funktioner på nanoskala."

García-Garibay hoppas kunna designa kristaller som drar fördel av ljusets egenskaper, och vars tillämpningar kan innefatta framsteg inom kommunikationsteknik, optisk beräkning, avkänning och fotonikområdet, som drar fördel av ljusets egenskaper; ljus kan ha tillräckligt med energi för att bryta och göra bindningar i molekyler.

"Om vi ​​kan omvandla ljus, som är elektromagnetisk energi, i rörelse, eller omvandla rörelse till elektrisk energi, då har vi potential att göra molekylära enheter mycket mindre, " sa han. "Det kommer att bli många, många möjligheter för vad vi kan göra med molekylära maskiner. Vi förstår ännu inte helt vad potentialen för molekylära maskiner är, men det finns många applikationer som kan utvecklas när vi utvecklar en djup förståelse för hur rörelse sker i fasta ämnen."

Medförfattare är huvudförfattaren Xing Jiang, en UCLA doktorand i García-Garibays laboratorium, som i år avslutade sin doktorsexamen; Hai-Bao Duan, en gästforskare från Kinas Nanjing Xiao Zhuang University som tillbringade ett år med forskning i García-Garibays laboratorium; och Saeed Khan, en UCLA-kristallograf vid avdelningen för kemi och biokemi.