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  • Preparando máquinas a nanoescala

    Un tren de engranajes moleculares compuesto por moléculas en forma de estrella. Crédito:Gwénaël Rapenne (NAIST y UPS)

    Los trenes de engranajes se han utilizado durante siglos para traducir cambios en la velocidad de rotación de los engranajes en cambios en la fuerza de rotación. Carros, simulacros y básicamente cualquier cosa que tenga partes giratorias las usa. Los engranajes de escala molecular son una invención mucho más reciente que podría usar luz o un estímulo químico para iniciar la rotación del engranaje. Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara (NAIST), Japón, en asociación con equipos de investigación de la Universidad Paul Sabatier, Francia, informe en un nuevo estudio publicado en Ciencia química un medio para visualizar instantáneas de un tren de engranajes ultrapequeño, una cadena de engranajes interconectados, en funcionamiento.

    El líder del proyecto NAIST, el profesor Gwénaël Rapenne, ha dedicado su carrera a la fabricación de dispositivos mecánicos a escala molecular, como ruedas y motores. Los investigadores diseñaron recientemente una rueda dentada para un tren de engranajes moleculares, pero actualmente no tienen medios para visualizar los engranajes en acción.

    "La forma más sencilla de controlar el movimiento de los engranajes moleculares es mediante imágenes de microscopía de efecto túnel de barrido estático. Para estos fines, uno de los dientes de las ruedas dentadas debe ser estérica o electroquímicamente distinto de los otros dientes, "explica Rapenne.

    Los investigadores primero crearon una rueda dentada molecular que constaba de cinco paletas, donde una paleta es unos pocos átomos de carbono más larga que las otras cuatro. Sin embargo, como mostraron el año pasado, las diferencias en la longitud de la paleta interrumpen el movimiento coordinado a lo largo del tren de engranajes. Por lo tanto, Las diferencias en la electroquímica de las palas son un enfoque de diseño más prometedor pero sintéticamente más desafiante.

    "Utilizamos estudios computacionales para predecir si las unidades de extracción de electrones o la química de los metales podrían adaptar las propiedades electrónicas de una paleta". sin cambiar el tamaño de la paleta, ", dice Rapenne. Estas propiedades personalizadas son importantes porque se pueden observar como diferencias en el contraste mediante el uso de microscopía de túnel de barrido, y así facilitar la formación de imágenes estáticas.

    Un engranaje molecular pentaporfirínico de 5 nm de tamaño. Crédito:Gwénaël Rapenne (NAIST y UPS)

    "Nuestros prototipos de ruedas dentadas pentaporfirínicas contenían una paleta con un sustituyente de cianofenilo o un centro de metal de zinc, en lugar de níquel, "explica Rapenne." Varias técnicas de espectroscopia confirmaron las arquitecturas de nuestras síntesis ".

    ¿Cómo pueden los investigadores utilizar estas ruedas dentadas? Imagina hacer brillar un rayo de luz muy enfocado, o aplicando un estímulo químico, a uno de los engranajes para iniciar una rotación. Al hacerlo, uno podría girar una serie de ruedas dentadas de manera coordinada como en un tren de engranajes convencional, pero en una escala molecular que consiste en la miniaturización última de dispositivos. "Ahora tenemos los medios para visualizar tales rotaciones, "señala Rapenne.

    Al utilizar este desarrollo para realizar estudios de mecánica de una sola molécula, Rapenne es optimista de que la amplia comunidad de investigadores tendrá un nuevo y poderoso diseño para máquinas integradas a nanoescala. "No hemos llegado todavía, pero estamos trabajando en colaboración para que esto suceda lo antes posible, " él dice.


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