(PhysOrg.com) -- Kolomeisky et l'étudiant diplômé de Rice Alexey Akimov ont fait un grand pas vers la définition du comportement de ces tourbillons moléculaires avec un nouvel article dans le Journal of Physical Chemistry C de l'American Chemical Society. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, ils ont défini les règles de base pour le mouvement du rotor des molécules attachées à une surface d'or.

"Ce n'est pas un dessin animé. C'est une vraie molécule, avec toutes les interactions se déroulant correctement, " a déclaré Anatoly Kolomeisky alors qu'il montrait une animation d'atomes se tordant et tournant autour d'un moyeu central comme un manège devenu fou.

Kolomeïsky, professeur agrégé de chimie à l'Université Rice, offrait un aperçu d'un milieu moléculaire où les atomes plongent, plonger et planer selon un ensemble de règles qu'il est déterminé à décoder.

Kolomeisky et l'étudiant diplômé de Rice Alexey Akimov ont fait un grand pas vers la définition du comportement de ces tourbillons moléculaires avec un nouvel article dans l'American Chemical Society's Journal de chimie physique C . Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, ils ont défini les règles de base pour le mouvement du rotor des molécules attachées à une surface d'or.

C'est une extension de leur travail sur les célèbres nanocars de Rice, développé principalement dans le laboratoire de James Tour, T.T. et W.F. de Rice Chaire Chao en chimie ainsi que professeur de génie mécanique et science des matériaux et d'informatique, mais pour lesquels Kolomeisky a également construit des modèles moléculaires.

Partir dans une autre direction, l'équipe a décodé plusieurs caractéristiques clés de ces minuscules rotors, qui pourraient contenir des indices sur le fonctionnement des moteurs moléculaires du corps humain.

Le mouvement qu'ils ont décrit se retrouve partout dans la nature, dit Kolomeisky. L'exemple le plus visible est dans les flagelles des bactéries, qui utilisent un simple mouvement de rotor pour se déplacer. "Quand les flagelles tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, les bactéries avancent. Quand ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ils dégringolent." A un niveau encore plus petit, ATP-synthase, qui est une enzyme importante pour le transfert d'énergie dans les cellules de tous les êtres vivants, présente un comportement de rotor similaire - une découverte lauréate du prix Nobel.

Comprendre comment construire et contrôler des rotors moléculaires, surtout en multiple, pourrait conduire à de nouveaux matériaux intéressants dans le développement continu de machines capables de travailler à l'échelle nanométrique, il a dit. Kolomeisky prévoit, par exemple, des filtres radio qui ne laisseraient passer qu'un signal très finement réglé, en fonction de la fréquence des nanorotors.

« Ce serait extrêmement important, bien que cher, matériel à fabriquer, " dit-il. " Mais si je peux créer des centaines de rotors qui se déplacent simultanément sous mon contrôle, Je serais très heureux."

Le professeur et son étudiant ont réduit le nombre de paramètres de leur simulation informatique à un sous-ensemble de ceux qui les intéressaient le plus, dit Kolomeisky. La molécule du modèle de base avait un atome de soufre au milieu, étroitement lié à une paire de chaînes alkyle, comme des ailes, qui pouvaient tourner librement lorsqu'ils étaient chauffés. Le soufre a ancré la molécule à la surface de l'or.

Tout en travaillant sur un article précédent avec des chercheurs de l'Université Tufts, Kolomeisky et Akimov ont vu des preuves photographiques du mouvement du rotor en balayant des images au microscope à effet tunnel de molécules de soufre/alkyle chauffées sur une surface d'or. Alors que la chaleur montait, l'image est passée de linéaire à rectangulaire à hexagonale, indiquant le mouvement. Ce que les images n'indiquaient pas, c'était pourquoi.

C'est là que la modélisation informatique était inestimable, à la fois sur les propres systèmes du laboratoire Kolomeisky et via la plateforme SUG@R de Rice, un cluster de supercalculateurs partagé. En testant diverses configurations théoriques - certaines avec deux chaînes symétriques, certains asymétriques, certains avec une seule chaîne - ils ont pu déterminer un ensemble de caractéristiques de verrouillage qui contrôlent le comportement des rotors à molécule unique.

D'abord, il a dit, la symétrie et la structure du matériau de surface de l'or (dont plusieurs types ont été testés) ont une grande influence sur la capacité d'un rotor à surmonter la barrière énergétique qui l'empêche de tourner en permanence. Lorsque les deux bras sont proches des molécules de surface (qui se repoussent), la barrière est grande. Mais si un bras est au-dessus d'un espace - ou creux - entre des atomes d'or, la barrière est nettement plus petite.

Seconde, les rotors symétriques tournent plus vite que les asymétriques. La chaîne plus longue dans une paire asymétrique prend plus d'énergie pour se déplacer, et cela provoque un déséquilibre. Dans les rotors symétriques, les chaînes, comme des ailes rigides, se compensent lorsqu'une aile plonge dans un creux tandis que l'autre s'élève au-dessus d'une molécule de surface.

Troisième, Kolomeisky a dit, la nature de la liaison chimique entre l'ancre et les chaînes détermine la liberté de rotation du rotor.

Finalement, la nature chimique des groupes tournants est également un facteur important.

Kolomeisky a déclaré que la recherche ouvre la voie à la simulation de molécules de rotor plus complexes. Les chaînes dans l'ATP-synthase sont beaucoup trop grandes pour qu'une simulation puisse se disputer, "mais à mesure que les ordinateurs deviennent plus puissants et que nos méthodes s'améliorent, nous pourrons peut-être un jour analyser des molécules aussi longues, " il a dit.