Des chercheurs en nanosciences de l'UCLA ont déterminé qu'un fluide qui se comporte de la même manière que l'eau dans notre vie de tous les jours devient aussi lourd que le miel lorsqu'il est piégé dans une nanocage d'un solide poreux, offrant de nouvelles perspectives sur le comportement de la matière dans le monde nanométrique.

"Nous en apprenons de plus en plus sur les propriétés de la matière à l'échelle nanométrique afin de pouvoir concevoir des machines avec des fonctions spécifiques, " a déclaré l'auteur principal Miguel García-Garibay, doyen de la Division des sciences physiques de l'UCLA et professeur de chimie et de biochimie.

La recherche est publiée dans la revue ACS Science centrale .

À quel point l'échelle nanométrique est-elle petite ? Un nanomètre est inférieur à 1/1, 000 la taille d'un globule rouge et environ 1/20, 000 le diamètre d'un cheveu humain. Malgré des années de recherche par des scientifiques du monde entier, la taille extraordinairement petite de la matière à l'échelle nanométrique a rendu difficile l'apprentissage du fonctionnement du mouvement à cette échelle.

« Cette recherche passionnante, soutenu par la National Science Foundation, représente une avancée majeure dans le domaine des machines moléculaires, " a déclaré Eugène Zubarev, directeur de programme à la NSF. "Cela stimulera certainement d'autres travaux, à la fois dans la recherche fondamentale et les applications réelles de l'électronique moléculaire et des dispositifs miniaturisés. Miguel Garcia-Garibay est parmi les pionniers de ce domaine et a un très bon bilan de travaux à fort impact et de découvertes révolutionnaires. »

Les utilisations possibles des nanomachines complexes qui pourraient être beaucoup plus petites qu'une cellule comprennent le placement d'un produit pharmaceutique dans une nanocage et la libération de la cargaison à l'intérieur d'une cellule, tuer une cellule cancéreuse, par exemple; le transport de molécules pour des raisons médicales; concevoir des ordinateurs moléculaires qui pourraient être placés à l'intérieur de votre corps pour détecter une maladie avant que vous ne soyez conscient des symptômes ; ou peut-être même pour concevoir de nouvelles formes de matière.

Pour acquérir cette nouvelle compréhension du comportement de la matière à l'échelle nanométrique, Le groupe de recherche de García-Garibay a conçu trois nanomatériaux rotatifs appelés MOF, ou charpentes métallo-organiques, qu'ils appellent UCLA-R1, UCLA-R2 et UCLA-R3 (le "r" signifie rotor). MOF, parfois décrites comme des éponges de cristal, ont des pores - des ouvertures qui peuvent stocker des gaz, ou dans ce cas, liquide.

L'étude du mouvement des rotors a permis aux chercheurs d'isoler le rôle joué par la viscosité d'un fluide à l'échelle nanométrique. Avec UCLA-R1 et UCLA-R2, les rotors moléculaires occupent un très petit espace et entravent le mouvement les uns des autres. Mais dans le cas de UCLA-R3, rien n'a ralenti les rotors à l'intérieur de la nanocage, à l'exception des molécules de liquide.

Le groupe de recherche de García-Garibay a mesuré à quelle vitesse les molécules tournaient dans les cristaux. Chaque cristal contient des milliards de molécules tournant à l'intérieur d'une nanocage, et les chimistes connaissent la position de chaque molécule.

UCLA-R3 a été construit avec de grands rotors moléculaires qui se déplacent sous l'influence des forces visqueuses exercées par 10 molécules de liquide piégées dans leur environnement à l'échelle nanométrique.

"Il est très courant, lorsque vous avez un groupe de molécules en rotation que les rotors soient gênés par quelque chose dans la structure avec laquelle ils interagissent, mais pas dans UCLA-R3, " dit García-Garibay, membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA. « La conception de l'UCLA-R3 a été un succès. Nous voulons pouvoir contrôler la viscosité pour faire interagir les rotors les uns avec les autres; nous voulons comprendre la viscosité et l'énergie thermique pour concevoir des molécules qui présentent des actions particulières. Nous voulons contrôler les interactions entre les molécules afin qu'elles puissent interagir les unes avec les autres et avec les champs électriques externes."

L'équipe de recherche de García-Garibay travaille depuis 10 ans sur le mouvement dans les cristaux et conçoit des moteurs moléculaires dans les cristaux. Pourquoi est-ce si important?

"Je peux obtenir une image précise des molécules dans les cristaux, l'arrangement précis des atomes, sans incertitude, " García-Garibay a déclaré. "Cela fournit un grand niveau de contrôle, qui nous permet d'apprendre les différents principes régissant les fonctions moléculaires à l'échelle nanométrique."

García-Garibay espère concevoir des cristaux qui tirent parti des propriétés de la lumière, et dont les applications pourraient inclure les progrès des technologies de communication, calcul optique, la détection et le domaine de la photonique, qui profite des propriétés de la lumière; la lumière peut avoir suffisamment d'énergie pour rompre et créer des liaisons dans les molécules.

« Si nous sommes capables de convertir la lumière, qui est l'énergie électromagnétique, en mouvement, ou convertir le mouvement en énergie électrique, alors nous avons le potentiel de rendre les dispositifs moléculaires beaucoup plus petits, " dit-il. " Il y en aura beaucoup, de nombreuses possibilités pour ce que nous pouvons faire avec les machines moléculaires. Nous ne comprenons pas encore pleinement quel est le potentiel de la machinerie moléculaire, mais il existe de nombreuses applications qui peuvent être développées une fois que nous aurons acquis une compréhension approfondie de la façon dont le mouvement se produit dans les solides. »

Les co-auteurs sont l'auteur principal Xing Jiang, un étudiant diplômé de l'UCLA dans le laboratoire de García-Garibay, qui cette année a terminé son doctorat; Hai Bao Duan, un chercheur invité de l'université chinoise de Nanjing Xiao Zhuang qui a passé un an à mener des recherches dans le laboratoire de García-Garibay; et Saeed Khan, un cristallographe UCLA dans le département de chimie et biochimie.