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  • Los científicos desarrollan motores impulsados ​​por luz para impulsar los nanorobots del futuro

    El principio de funcionamiento del fotomotor traslacional propuesto. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú

    Un colaborador de científicos ha propuesto un modelo para un fotomotor dipolo nanométrico basado en el fenómeno de la redistribución de carga inducida por la luz. Activado por un pulso láser, este diminuto dispositivo es capaz de dirigir un movimiento a una velocidad récord y es lo suficientemente potente como para transportar una determinada carga. Los resultados de la investigación se publicaron en el Revista de física química .

    "Las características sin precedentes de los fotomotores dipolo basados ​​en nanoclusters de semiconductores ofrecen perspectivas más allá de abordar una cierta escasez de la familia de fotomotores traslacionales. Estos dispositivos podrían utilizarse en cualquier lugar donde se requiera un transporte rápido de nanopartículas. En química y física, podrían ayudar a desarrollar nuevos instrumentos analíticos y sintéticos, mientras estaba en biología y medicina, podrían usarse para administrar medicamentos a los tejidos enfermos, mejorar las estrategias de terapia génica, etcétera, "dice el profesor Leonid Trakhtenberg del Departamento de Física Química y Molecular del MIPT, quien es el líder del equipo de investigación y el jefe del Laboratorio de Nanocomposites Funcionales en ICP RAS.

    El Prof. Trakhtenberg colaboró ​​con el Prof. Viktor Rozenbaum, quien dirige el Departamento de Teoría de Sistemas Nanoestructurados en ISC NASU, desarrollar la teoría del transporte molecular fotoinducido. Esta teoría proporciona un marco para el diseño de nanomáquinas cuyo movimiento puede ser controlado por un láser. Los científicos han establecido la relación entre varios parámetros del modelo (por ejemplo, dimensiones de las partículas, condiciones de fotoexcitación, etc.), y la característica clave de rendimiento del dispositivo:su velocidad promedio.

    Motores brownianos

    Los nanomotores dirigidos tienen prototipos en la naturaleza. Los organismos vivos utilizan dispositivos proteicos impulsados ​​por procesos externos de desequilibrio de diferente naturaleza. Estos se conocen como brownianos, o motores moleculares. Son capaces de convertir el movimiento browniano aleatorio en movimiento de traslación dirigido, reciprocidad, o rotación. Los motores brownianos están involucrados en la contracción muscular, movilidad celular (motilidad flagelar de bacterias), y el transporte intra e intercelular de orgánulos y partículas relativamente grandes de diversas sustancias (p. ej., fagocitosis, o "comer células, "y la eliminación de productos de desecho metabólicos de la célula). Estos dispositivos operan con una eficiencia asombrosamente alta que se acerca al 100%.

    "Comprender los mecanismos subyacentes del funcionamiento de los motores moleculares naturales nos permite no solo replicarlos, sino también diseñar nuevos dispositivos artificiales multifuncionales altamente eficientes que eventualmente podrían aplicarse en nanorobótica. Durante las últimas décadas, investigadores e ingenieros de diversos campos han estado trabajando juntos y logrando verdaderos avances hacia el desarrollo de nanomáquinas controlables. Los resultados de su trabajo fueron reconocidos como un logro de gran relevancia y un avance significativo en ciencia y tecnología cuando se otorgó el Premio Nobel de Química 2016 por el diseño y síntesis de máquinas moleculares. "dice el profesor Rozenbaum.

    Un motor browniano funciona cambiando entre al menos dos estados discretos, que se consigue mediante reacciones químicas, acción térmica, Señales de CA, o pulsos de luz. En este último caso, el dispositivo se conoce como fotomotor.

    Hace unos 10 años, Se desarrolló un modelo para describir el trabajo de un fotomotor dipolo traslacional que opera a través de la fotoexcitación de la molécula en un estado con un momento dipolar diferente al del estado fundamental. Cuanto mayor sea la diferencia entre los momentos dipolares totales de la nanopartícula en los dos estados de energía, cuanto mayor sea la velocidad media y la eficiencia del motor.

    Disparo láser

    El motor propuesto se activa mediante un pulso láser resonante, que excita electrones en el nanocluster semiconductor en forma de cilindro provocando una separación de cargas y dando lugar a una interacción electrostática entre la partícula y el sustrato polar. Someter el nanocilindro a pulsos de láser resonantes periódicos hace que su energía potencial en el campo del sustrato varíe con el tiempo, que a su vez permite el movimiento dirigido (ver diagrama).

    Los fotomotores basados ​​en nanopartículas inorgánicas superan a sus homólogos basados ​​en moléculas orgánicas en términos de eficiencia y velocidad media. En un nanocluster semiconductor en forma de cilindro, el valor del momento dipolar antes de la irradiación es cercano a cero, pero la fotoexcitación de un electrón desde la masa hasta la superficie da lugar a un enorme momento dipolar (aproximadamente 40 D para un cilindro con una altura de aproximadamente 15 Å).

    "Debido al hecho de que los parámetros del dispositivo se han optimizado, nuestro modelo de fotomotor propuesto basado en un nanocilindro semiconductor se mueve a una velocidad récord de 1 mm / s, que es aproximadamente tres órdenes de magnitud más rápido que modelos similares basados ​​en moléculas orgánicas o proteínas motoras en organismos vivos, "dicen los autores.


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