Motor molecular gira dentro de um cristal sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/10/2023

Duas estruturas que lembram guarda-chuvas deixam espaço suficiente para que o rotor gire dentro do material sólido.
[Imagem: Rempei Ando et al. - 10.1002/anie.202309694]

Motor molecular sólido

Geralmente pensamos nos materiais sólidos como rígidos e imóveis, mas os cientistas estão virando essa ideia de cabeça para baixo, explorando maneiras de incorporar partes móveis em escala molecular no interior dos sólidos.

Isto poderá permitir o desenvolvimento de novos materiais exóticos, como cristais anfidinâmicos - cristais que contêm componentes rígidos e móveis - cujas propriedades podem ser alteradas pelo controle da rotação molecular dentro do próprio material.

Até agora, as máquinas moleculares que ganharam o Nobel de Química em 2016, e os motores moleculares em geral, têm sido estudados em líquidos ou, quando muito, na matéria mole.

O grande desafio para alcançar o movimento interno nos cristais - e nos sólidos em geral - é justamente a natureza compacta da sua estrutura atômica, o que restringe o movimento dinâmico a moléculas de tamanho limitado.

Agora, contudo, Rempei Ando e colegas da Universidade de Hokkaido, no Japão, superaram esse desafio, estabelecendo um recorde de tamanho para esse movimento dinâmico, demonstrando o maior rotor molecular operacional já construído no estado sólido.

Estrutura do motor molecular.
[Imagem: Rempei Ando et al. - 10.1002/anie.202309694]

Pentipticeno

Um motor molecular consiste em uma molécula rotativa central, conectada por moléculas de eixo a moléculas estacionárias, que compõem uma peça chamada estator, semelhante à forma como uma roda e um eixo são conectados à estrutura de um carro.

A equipe construiu um rotor operacional composto por uma molécula de pentipticeno, que é quase 40% maior em diâmetro do que os rotores anteriores no estado sólido - um pentipticeno é um tipo de molécula orgânica formada por cinco anéis de benzeno fundidos em uma estrutura tridimensional rígida, com largas aplicações, incluindo a fabricação de materiais resistentes de baixo peso para aplicações aeroespaciais.

Para permitir a rotação de uma molécula tão grande, primeiro foi necessário criar espaço livre suficiente dentro do sólido. Para isso, a equipe sintetizou complexos metálicos côncavos - em forma de guarda-chuva - que protegem a molécula-rotora de interações indesejadas com outras moléculas no cristal. Isso foi possível anexando uma molécula especialmente grande e volumosa ao átomo metálico do estator.

Uma comparação dos espectros de ressonância magnética nuclear experimental e das simulações computadorizadas do cristal indicam que o rotor molecular gigante gira em intervalos de 90 graus a uma frequência na faixa dos 100 aos 400 kHz.

"Os rotores de pentipticeno utilizados neste trabalho possuem vários bolsões de acomodação," comentou o professor Mingoo Jin. "Esta característica estrutural permite a inclusão de muitos tipos de compostos convidados, incluindo luminóforos, o que poderá permitir o desenvolvimento de materiais de estado sólido ópticos ou luminescentes altamente funcionais e sofisticados."

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