Gracias a un inteligente diseño químico, Investigadores del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares (HIMS) de la Universidad de Ámsterdam han logrado fabricar una máquina molecular muy rápida. Las partes móviles se desplazan más de un nanómetro entre sí en un tiempo récord de 30 mil millonésimas de segundo. Los resultados se publicaron recientemente en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

La máquina molecular es un rotaxano, una estructura molecular con una molécula en forma de anillo alrededor de una molécula alargada en forma de alambre. El anillo puede moverse de un lado del cable al otro, como un autobús de enlace.

Los investigadores de Ámsterdam lograron su velocidad récord gracias a un nuevo diseño molecular que permite que un lado del cable atraiga la lanzadera hacia él. como si fuera. Además, utilizaron un concepto completamente nuevo para activar el movimiento, una reacción fotoquímica ácido-base.

Controlar el movimiento con la luz

El Grupo de Fotónica Molecular de HIMS ha estado trabajando durante bastante tiempo en motores moleculares basados ​​en rotaxano cuyo movimiento puede controlarse con luz. En el caso de los rotaxanos más simples, el anillo deslizante no tiene una dirección preferida, por lo que se mueve aleatoriamente sobre el cable. En variedades más avanzadas, el cable contiene "estaciones" moleculares que introducen una preferencia del anillo por determinadas ubicaciones en el cable. Al cambiar químicamente estas estaciones con la ayuda de la luz, sintonizando su atracción por el anillo, es posible hacer que el anillo se mueva de una estación a otra. De este modo, un destello de luz del color correcto puede controlar el movimiento en una escala de longitud nanométrica.

Este principio ha sido aplicado con éxito por el grupo de Amsterdam y en otros lugares (por ejemplo, los grupos de investigación de los premios Nobel Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage y Ben Feringa). En este momento, el campo de la investigación de las máquinas moleculares está todavía en su infancia, pero las posibles aplicaciones futuras de tales motores moleculares conmutables son, por ejemplo, computadoras moleculares.

El único problema con el mecanismo es el tiempo de viaje. Si el anillo está en una determinada estación, y otra estación se hace más atractiva por medio de la luz, solo tienes que esperar hasta que el anillo abandone espontáneamente su estación de inicio, y luego termina en la estación de encuadernación más fuerte al caminar al azar sobre el cable. Si el cable es largo, este proceso puede llevar mucho tiempo.

Mecanismo de arpón

Fred Brouwer y su Ph.D. Al estudiante Tatu Kumpulainen se le ocurrió una solución:diseñaron una máquina molecular en la que la estación terminal tiene una atracción tan fuerte hacia el anillo que deforma el cable permitiendo que la estación agarre el anillo, y luego arrástrelo sobre el cable hasta su destino final (ver imagen). Este llamado mecanismo de arpón les permitió crear una lanzadera molecular de velocidad récord. Las moléculas fueron creadas por un maestro de la química orgánica:Bert Bakker. Ha estado retirado durante mucho tiempo, pero aún disfruta de su trabajo de laboratorio.

Para medir la velocidad del transbordador molecular, Brouwer y Kumpulainen trabajaron junto con sus colegas Matthijs Panman y Sander Woutersen. Usaron un pulso corto de luz ultravioleta para inducir el movimiento del anillo, y luego un segundo pulso de luz infrarroja para seguir su movimiento. El tiempo récord medido fue de 30 nanosegundos para una distancia recorrida de un nanómetro. Esto significa una velocidad media de 3 cm por segundo. Eso puede parecer lento pero es 4000 veces más rápido que la proteína motora biológica más rápida (miosina, que provoca la contracción de nuestros músculos). Uno de los desafíos para el futuro es hacer que las pequeñas moléculas motoras artificiales trabajen juntas como las proteínas motoras de nuestros músculos.