Los engranajes y las transmisiones mecánicas están en casa en la región de Emilia-Romagna, el Valle del Motor del norte de Italia. Un equipo de investigadores de la Universidad de Bolonia y el Instituto de Síntesis Orgánica y Fotorreactividad del Consejo Nacional de Investigación (Cnr-Isof) en Bolonia, dirigido por Massimo Baroncini y Alberto Credi, ha planeado, NanoGear construido y operado, un dispositivo que consta de componentes moleculares entrelazados y diseñado para funcionar como un engranaje. Dado que las moléculas son objetos nanométricos (1 nanómetro =1 millonésima parte de un milímetro), es un dispositivo extremadamente pequeño:Ciertamente, el engranaje más pequeño jamás producido en la tierra italiana de los motores.

"La transmisión y transformación de movimientos nanométricos en moléculas biológicas son la base de las principales funciones de los organismos vivos. Sin embargo, estos fenómenos son poco conocidos en las moléculas artificiales porque son extremadamente difíciles de identificar y observar. La construcción de dispositivos moleculares como NanoGear es un primer paso hacia el desarrollo de dispositivos mecánicos ultraminiaturizados basados ​​en motores moleculares, con posibles aplicaciones innovadoras en diversos campos de la tecnología y la medicina ", dice Alberto Credi.

El dispositivo

La molécula NanoGear pertenece a la clase de rotaxanos y consta de tres componentes:un anillo que puede deslizarse a lo largo de un eje que lleva un rotor instalado en su centro.

"El anillo se puede desplazar libremente a lo largo del eje en toda su longitud, pero no puede escapar porque dos grupos voluminosos (topes) colocados en los extremos del eje evitan que se resbale. El rotor puede girar libremente alrededor de su propio eje y tiene dos 'palas' diferentes para facilitar la observación del movimiento. "explica Massimo Baroncini." El principal elemento de diseño de NanoGear radica en el hecho de que el rotor está directamente vinculado al eje con un enlace químico (covalente) regular, mientras que el anillo se bloquea mecánicamente alrededor del eje por la presencia de los topes. Tanto la traslación del anillo como la rotación del rotor son oscilaciones aleatorias determinadas por la energía térmica de la molécula; en otras palabras, el engranaje no está acoplado a ningún motor y funciona 'en punto muerto'. Se utilizaron sofisticadas técnicas de resonancia magnética nuclear para observar los movimientos y medir sus velocidades ".

A 65 ° C, el anillo se desplaza de un extremo al otro del eje aproximadamente 7 veces por minuto, pasando sobre el rotor; en la misma cantidad de tiempo, este último completa unas 260 rotaciones. Por tanto, los dos movimientos no están sincronizados; sin embargo, se influyen mutuamente, como lo demuestran los experimentos llevados a cabo en moléculas similares a NanoGear pero desprovistas de rotor o anillo.

Otro resultado significativo e inesperado es el efecto del medio en el que se dispersa la molécula:Al cambiar el disolvente, uno de los dos movimientos se ralentiza, mientras que el otro se acelera. Tal 'lubricación específica' no encuentra correspondencia en el mundo macroscópico, y constituye una de las propiedades no convencionales de los nanodispositivos que podría conducir a innovaciones tecnológicas radicales.

El proyecto

Máquinas moleculares artificiales, galardonado con el Premio Nobel de Química en 2016, convierten la energía de una fuente en movimientos controlados a nanoescala y son uno de los resultados más llamativos de la nanotecnología. Para explotar estos movimientos, sin embargo, elementos pasivos capaces de procesarlos y transmitirlos a otros componentes, como sucede en los dispositivos macroscópicos, son necesarios. En esta investigación, los químicos operan de la misma manera que los ingenieros y arquitectos, pero manipulando objetos mil millones de veces más pequeños, ya que sus componentes básicos son los átomos y las moléculas.

NanoGear es el resultado de un proyecto nacido hace unos cinco años y forma parte de una actividad de investigación en la que el Centro de Nanoestructuras Activadas por Luz (Clan), un laboratorio conjunto de la Universidad de Bolonia y el Consejo Nacional de Investigación de Italia, es un punto de referencia internacional.

NanoGear fue creado con el apoyo de una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación (ERC), la beca de investigación científica más prestigiosa y competitiva de Europa. En el pasado, el mismo laboratorio ya había atraído la atención del público mediante el desarrollo de bombas de base molecular ( Nanotecnología de la naturaleza , 2015) y esponjas ( Química de la naturaleza , 2015) alimentado por luz. El papel central de la investigación realizada en Bolonia sobre el tema de las máquinas moleculares fue reconocida durante el evento "MolecularMachinesDays", celebrada en Bolonia en noviembre de 2018 con la participación de los tres premios Nobel de Química 2016.

Los resultados

La realización de dispositivos artificiales compuestos por moléculas es de gran interés para el desarrollo de la nanotecnología. "Como muestran los resultados obtenidos en los últimos años en laboratorios de todo el mundo, la nanotecnología puede proporcionarnos materiales más ligeros y resistentes, ordenadores y robots más pequeños y potentes, mejores sistemas de transformación y almacenamiento de energía, nuevos métodos de diagnóstico y terapias médicas, "dice Alberto Credi." NanoGear es un paso pequeño pero significativo en esta dirección. Si bien actualmente es difícil identificar un uso específico de NanoGear, la investigación básica que condujo a su desarrollo tiene un potencial revolucionario para la ciencia y la tecnología que va mucho más allá de las aplicaciones prácticas a corto plazo ".