Depuis des décennies, Le Dr John A. Gladysz, chimiste de la Texas A&M University, a mélangé des métaux et du carbone pour créer de nouvelles molécules, des fils moléculaires les plus longs du monde aux gyroscopes microscopiques contrôlables par la taille de la cage, l'accès moléculaire et même progresser vers une rotation unidirectionnelle via une manipulation de champ électrique externe.

Dans une réalisation la plus récente, Gladysz et son groupe de recherche ont créé un nouveau type de rotor moléculaire qui est prometteur pour le développement futur en tant que machine moléculaire fonctionnelle capable de manipuler la matière aux niveaux atomique et subatomique et de transformer de multiples branches de la chimie, ainsi qu'une myriade de secteurs et d'industries connexes.

Doctorat en chimie Texas A&M les candidats Andreas Ehnbom et Sugam Kharel, chercheurs postdoctoraux Dr Tobias Fiedler et Dr Hemant Joshi, et Nattamai Bhuvanesh, directeur adjoint du laboratoire de diffraction des rayons X, rejoignent Gladysz en tant que co-auteurs du travail financé par la National Science Foundation, détaillé dans l'article de couverture de l'édition de cette semaine du Journal de l'American Chemical Society .

Le groupe Gladysz a utilisé une méthode appelée métathèse d'oléfines reconnue par le prix Nobel de chimie 2005 pour synthétiser une série de complexes de platine avec des ligands macrocycliques qui peuvent retourner l'atome de platine central dans un changement de conformation rappelant le saut à la corde Double-Dutch. Les chercheurs ont surmonté d'importants défis synthétiques pour obtenir des mouvements moléculaires sans précédent, souvent centré sur une rotation de base qui évoque un saut en patins à triple axe.

En plus de caractériser les nouvelles molécules par diverses méthodes physiques, les chercheurs ont utilisé des méthodes de calcul disponibles via le Laboratoire de simulation moléculaire (LMS) ainsi que la technologie de supercalcul et d'analyse de données via Texas A&M High Performance Research Computing pour mieux comprendre les mouvements que ces molécules peuvent subir.

"Des composés similaires ont déjà été rapportés mais avec un seul cycle macrocyclique, " dit Ehnbom, qui, en plus de Gladysz, travaille également avec le chimiste théorique Texas A&M et directeur du LMS, le Dr Michael B. Hall.

"Les nôtres ont trois anneaux et peuvent donc subir un mécanisme de" triple corde à sauter ", ce qui est sans précédent, " ajouta Joshi.

Les machines moléculaires - de minuscules structures avec des mouvements contrôlables qui peuvent effectuer une variété de tâches lorsque de l'énergie est ajoutée à l'équation - ont fait des progrès majeurs et ont fait la une des journaux en tant que sujet du prix Nobel de chimie 2016. Aussi polyvalents que puissants, ces dispositifs peuvent potentiellement être utilisés comme commutateurs moléculaires et molécules motrices, puis appliqués à la fabrication de dispositifs nanoélectroniques, les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) et les systèmes d'administration de médicaments avec un certain nombre d'applications potentielles en chimie, science et ingénierie des matériaux, l'industrie et la médecine.

« Les scientifiques ont poursuivi la synthèse de molécules avec des architectures permettant des mouvements contrôlés depuis très longtemps, et c'est un domaine de recherche de plus en plus actif, comme en témoigne le prix Nobel 2016, " dit Gladysz. " En utilisant de telles molécules, il devrait être possible de concevoir et de développer des machines moléculaires fonctionnelles capables de manipuler la matière au niveau atomique, ce qui serait révolutionnaire. Nous sommes encore loin d'avoir atteint cet objectif, mais maintenant, nous sommes un pas de plus."

Ehnbom note qu'une prochaine étape importante consistera à déterminer comment contrôler le mouvement de leurs composés, qui est actuellement aléatoire, un peu comme celui des moteurs et des moteurs de la vie réelle. L'équipe prévoit d'utiliser des modèles informatiques de pointe pour simuler une telle rotation, acquérant ainsi une meilleure compréhension des facteurs qui le contrôlent pour affiner davantage leur conception, des rotors suivants aux expériences. Après tout, l'avenir et l'application réalisable en dépendent.

« Si les chercheurs réussissent un jour à synthétiser des machines moléculaires fonctionnelles, les possibilités sont infinies et vont du transport au niveau moléculaire, ou l'administration de médicaments dans le corps, à la manipulation de structures microscopiques, ou synthèse de produits chimiques, au traitement et au stockage des données, " ajouta Kharel, qui vient de terminer son doctorat Texas A&M.

Le papier de l'équipe, "Métathèses alcènes à trois volets intramoléculaires à fermeture d'anneaux de complexes plans carrés avec des ligands donneurs de phosphore cis P(X(CH2)mCH=CH2)3 (X =-, m =5-10 ; X =O, m =3–5) :Synthèses, Structures, et propriétés thermiques des complexes diphosphorés macrocycliques de tête de pont, " peut être consulté en ligne avec les figures et les légendes associées.