Utilizando la impresión 3D avanzada, Los investigadores de Dartmouth College han descubierto la clave para transformar nanorings microscópicos en materiales inteligentes que realizan trabajo a escala humana.

Las nanomáquinas ya pueden administrar medicamentos y servir como memorias de computadora en la pequeña escala nanométrica. Al integrar una técnica de impresión 3-D pionera en Ke Functional Materials Group de Dartmouth, los investigadores pueden desbloquear un potencial aún mayor para estas mini-máquinas.

La investigación fue publicada el 22 de marzo en la edición en línea de Angewandte Chemie , la prestigiosa revista de la Sociedad Química Alemana.

"Hasta ahora, aprovechar el trabajo mecánico de las nanomáquinas ha sido extremadamente difícil. Nos estamos acercando lentamente al punto en que las diminutas máquinas pueden operar a una escala que podemos ver, tocar y sentir ", dijo Chenfeng Ke, Profesor asistente de química en Dartmouth College e investigador principal de la investigación.

En un ejemplo proporcionado por Ke, el material inteligente de primera generación levantó una moneda de diez centavos que pesaba 2.268 g. La moneda, 15 veces el peso de la estructura que lo levantó, se elevó 1.6 mm, el equivalente a un ser humano levantando un automóvil.

"Crear material inteligente basado en nanomáquinas es todavía extraordinariamente complejo y apenas estamos comenzando, pero esta nueva técnica podría permitir el diseño y la fabricación de dispositivos inteligentes complejos que actualmente están fuera de nuestro alcance, "dijo Ke.

El diseño del nuevo material se basa en una investigación ganadora del Premio Nobel que convirtió moléculas entrelazadas mecánicamente (MIM) en máquinas de trabajo a nanoescala. Previamente, los investigadores han demostrado cómo la luz, el calor y los niveles de pH alterados podrían forzar el movimiento dentro de una estructura, conocida como rotaxano, compuesta de anillos en un eje molecular. De la misma manera que las cuentas se enhebran en una cuerda, el deslizamiento (o desplazamiento) de los anillos a lo largo del eje hace que las moléculas cambien de forma y almacenen energía.

Según el periódico, Los MIM ya se utilizan ampliamente como lanzaderas moleculares, interruptores músculos y bombas. Pero durante años los químicos se han visto obstaculizados por el problema de ordenar sus posiciones al azar. Establecer ese orden es fundamental para evitar que las estructuras cancelen el movimiento mecánico de las demás para que sus movimientos moleculares puedan amplificarse.

"Nuestro trabajo proporciona el primer principio de diseño para agregar capacidad de impresión en 3D a las nanomáquinas. Es importante destacar que también hemos transformado los movimientos moleculares a macroescala para realizar un trabajo útil, "dijo Ke, quien hizo su investigación postdoctoral con uno de los premios Nobel de 2016, Sir Fraser Stoddart.

El grupo de investigación diseñó y sintetizó geles basados ​​en MIM con propiedades deseables para la impresión 3D. Utilizando las interacciones de enlaces de hidrógeno entre nanorings, imprimieron con éxito estructuras tridimensionales en forma de celosía. Al reticular los ejes, Se crearon estructuras con buena integridad estructural 3-D y estabilidad mecánica.

Los investigadores encontraron que la compleja arquitectura tridimensional de estas estructuras se puede deformar y reformar de manera reversible mediante el intercambio de solventes que cambia la estructura del anillo roscado entre estados estacionarios y de transporte aleatorio a nivel molecular. Se descubrió que este comportamiento de recuperación y cambio de forma se repetía fácilmente muchas veces.

"Al igual que mover cuentas para fortalecer o debilitar una cuerda, esta acción es crítica porque permite la amplificación del movimiento molecular en movimiento macroscópico a través de la conversión de la entrada de energía química en trabajo mecánico, "dijo Qianming Lin, el primer autor del artículo y un estudiante de posgrado de primer año en el Departamento de Química en Dartmouth College.

Ke y su equipo esperan que este avance permita a los científicos desarrollar materiales y dispositivos inteligentes. Por ejemplo, agregando contracción y torsión al movimiento ascendente, Las máquinas moleculares podrían ser útiles como robots blandos que completan tareas complicadas similares a una mano humana.