Machines moléculaires, beaucoup plus petit que les cellules individuelles, peut-être un jour être en mesure de délivrer des médicaments pour tuer les cellules cancéreuses ou de patrouiller votre corps à la recherche de signes de maladie. Mais de nombreuses applications de ces machines nécessitent de vastes gammes de pièces mobiles très dures, qui serait difficile à construire avec des structures biologiques typiques.

Les molécules qui composent les cristaux solides présents dans la nature sont généralement si serrées les unes contre les autres qu'il n'y a pas de place pour qu'elles puissent bouger. Ainsi, malgré leur résistance et leur durabilité, les cristaux solides n'ont généralement pas été envisagés pour des applications dans les machines moléculaires, qui doit avoir des pièces mobiles qui peuvent répondre aux stimuli.

Maintenant, Des chercheurs de l'UCLA ont formé un cristal à partir de molécules qui ressemblent à des gyroscopes avec des cadres solides. Puisque chaque molécule a un boîtier extérieur entourant un axe de rotation, le cristal a un extérieur solide mais contient des pièces mobiles.

Le nouveau cristal, décrit dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences , est la première preuve qu'un même matériau peut être à la fois statique et mobile, ou amphidynamique.

"Pour la première fois, nous avons un solide cristallin avec des éléments qui peuvent se déplacer aussi vite à l'intérieur du cristal qu'ils le feraient dans l'espace, " a déclaré Miguel García-Garibay, un professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA et auteur principal de l'étude.

Pour créer des réseaux répétitifs de machines moléculaires, ou des matériaux intelligents, les chercheurs se sont souvent tournés vers les cristaux liquides, qui sont conçus pour être utilisés dans les écrans de télévision LCD, mais que l'on trouve également dans la nature. Mais les cristaux liquides sont relativement lents :chaque molécule doit changer entièrement d'orientation pour modifier la façon dont elle interagit avec la lumière, pour changer de couleur ou afficher une nouvelle image sur un écran, par exemple.

García-Garibay et ses collègues ont entrepris de concevoir un solide cristallin avec des pièces se déplaçant plus rapidement. Comme point de départ, ils considéraient plus grand, objets du quotidien qu'ils pourraient reproduire à l'échelle microscopique.

"Deux objets que nous avons trouvés très intéressants étaient les boussoles et les gyroscopes, " dit García-Garibay, qui est également doyen des sciences physiques à l'UCLA College. « Nous avons commencé à créer des modèles à grande échelle ; j'ai littéralement commandé quelques centaines de boussoles jouets et j'ai commencé à construire des structures à partir d'eux. »

Il y avait deux clés pour imiter une boussole ou un gyroscope à plus petite échelle, les chercheurs ont trouvé. D'abord, le boîtier extérieur de la structure devait être suffisamment solide pour conserver sa forme autour d'un espace principalement vide. Seconde, le composant rotatif intérieur devait être aussi près que possible de la sphérique.

Après quelques essais et erreurs, l'équipe a conçu une structure qui a fonctionné :un boîtier métallo-organique contenant à la fois des ions métalliques et un squelette de carbone entourant une molécule sphérique appelée bicyclooctane. Dans les expériences, le composé résultant-1, acide 4-bicyclo[2.2.2]octane dicarboxylique, un cadre métal-organique que les chercheurs ont appelé BODCA-MOF – se comportait comme un matériau amphidynamique.

Non seulement que, mais les simulations informatiques du cristal ont confirmé ce que les expériences montraient :les sphères BODCA en rotation constante tournaient chacune jusqu'à 50 milliards de rotations par seconde, aussi vite qu'ils l'auraient fait dans l'espace vide, s'ils tournaient dans le sens horaire ou antihoraire.

"Nous avons pu utiliser les équations de la physique pour valider les mouvements qui se produisaient dans cette structure, " a déclaré Kendall Houk, Saul Winstein, professeur de chimie organique de l'UCLA et l'un des auteurs de l'article. "C'est une découverte incroyable que vous puissiez avoir des mouvements extrêmement rapides à l'intérieur de cette chose qui ressemble extérieurement à un rocher."

Ayant prouvé qu'un tel composé peut exister, les chercheurs prévoient maintenant d'essayer d'introduire de nouvelles propriétés dans BODCA-MOF qui permettraient un stimulus magnétique ou chimique pour modifier le mouvement des molécules.

"Le but ultime est de pouvoir contrôler le mouvement dans ces machines moléculaires afin que nous puissions créer des matériaux qui répondent aux stimuli externes, " a déclaré García-Garibay. Cela pourrait conduire à des affichages informatiques et électroniques plus rapides, il ajouta, ou des technologies qui interagissent avec le radar, sonar ou de produits chimiques.

"Avec des barrières si basses pour la rotation, les résultats marquent des progrès substantiels vers des composants moléculaires en rotation libre noyés dans une matrice cristalline, et vers des fonctionnalités potentielles, " dit Stuart Brown, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA, et un autre auteur de l'article.