Agora em escala molecular: Motores elétricos: um pequeno motor um dia poderá impulsionar inovações na ciência dos materiais e na medicina

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Veículos elétricos, movidos por motores elétricos macroscópicos, são cada vez mais prevalentes em nossas ruas e rodovias. Essas máquinas silenciosas e ecológicas começaram há quase 200 anos, quando os físicos deram os primeiros pequenos passos para trazer motores elétricos ao mundo.

Agora, uma equipe multidisciplinar liderada pela Northwestern University criou um motor elétrico que você não pode ver a olho nu: um motor elétrico em escala molecular.

Este trabalho inicial – um motor que pode converter energia elétrica em movimento unidirecional no nível molecular – tem implicações para a ciência dos materiais e particularmente para a medicina, onde o motor elétrico molecular pode se unir aos motores biomoleculares do corpo humano.

“Levamos a nanotecnologia molecular a outro nível”, disse Sir Fraser Stoddart, da Northwestern, que recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2016 por seu trabalho no projeto e síntese de máquinas moleculares. “Essa química elegante usa elétrons para acionar efetivamente um motor molecular, muito parecido com um motor macroscópico. Embora essa área da química esteja em sua infância, prevejo que um dia esses pequenos motores farão uma enorme diferença na medicina.”

Stoddart, professor de química do Conselho de Curadores do Weinberg College of Arts and Sciences, é co-autor correspondente do estudo. A pesquisa foi feita em estreita colaboração com Dean Astumian, teórico da máquina molecular e professor da Universidade do Maine, e William Goddard, químico computacional e professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Long Zhang, pós-doutorando no laboratório de Stoddart, é o primeiro autor do artigo e co-autor correspondente.

“Levamos a nanotecnologia molecular a outro nível.” — Sir Fraser Stoddart, químico

Com apenas 2 nanômetros de largura, o motor molecular é o primeiro a ser produzido em massa em abundância. O motor é fácil de fabricar, opera rapidamente e não produz resíduos.

O estudo e um resumo de notícias correspondente foram publicados hoje (11 de janeiro) pela revista Nature.

A equipe de pesquisa se concentrou em um certo tipo de molécula com anéis interligados, conhecidos como catenanos, mantidos juntos por poderosas ligações mecânicas, de modo que os componentes pudessem se mover livremente uns em relação aos outros sem se desintegrar. (Décadas atrás, Stoddart desempenhou um papel fundamental na criação da ligação mecânica, um novo tipo de ligação química que levou ao desenvolvimento de máquinas moleculares.)

O motor molecular elétrico especificamente é baseado em um [3]catenano cujos componentes ― um loop interligado com dois anéis idênticos ― são redox active, ou seja, eles sofrem movimento unidirecional em resposta a mudanças no potencial de tensão. Os pesquisadores descobriram que dois anéis são necessários para alcançar esse movimento unidirecional. Experimentos mostraram que um [2]catenane, que tem um loop interligado com um anel, não funciona como um motor.

A síntese e operação de moléculas que desempenham a função de um motor – convertendo energia externa em movimento direcional – tem desafiado cientistas nas áreas de química, física e nanotecnologia molecular há algum tempo.

Para alcançar seu avanço, Stoddart, Zhang e sua equipe da Northwestern passaram mais de quatro anos no projeto e na síntese de seu motor molecular elétrico. Isso incluiu um ano trabalhando com Astumian da UMaine e Goddard da Caltech para completar os cálculos de mecânica quântica para explicar o mecanismo de trabalho por trás do motor.

“Controlar o movimento relativo dos componentes em escala molecular é um desafio formidável, então a colaboração foi crucial”, disse Zhang. “Trabalhar com especialistas em síntese, medições, química computacional e teoria nos permitiu desenvolver um motor molecular elétrico que funciona em solução.”

Alguns exemplos de motores elétricos de molécula única foram relatados, mas eles exigem condições operacionais adversas, como o uso de vácuo ultra-alto, e também produzem resíduos.

Os próximos passos para seu motor molecular elétrico, disseram os pesquisadores, é conectar muitos dos motores a uma superfície de eletrodo para influenciar a superfície e, finalmente, fazer algum trabalho útil.

“A conquista que relatamos hoje é uma prova da criatividade e produtividade de nossos jovens cientistas, bem como de sua disposição de correr riscos”, disse Stoddart. “Este trabalho dá-me uma enorme satisfação a mim e à equipa.”

Stoddart é membro do International Institute for Nanotechnology e do Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center da Northwestern University.

Com informações de Science Daily.

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