Los motores moleculares impulsados ​​por luz existen desde hace más de 20 años. Estos motores suelen tardar de microsegundos a nanosegundos en una revolución. Thomas Jansen, profesor asociado de física en la Universidad de Groningen, y el estudiante de maestría Atreya Majumdar ahora han diseñado un motor molecular aún más rápido. El nuevo diseño funciona solo con luz y puede dar un giro completo en picosegundos utilizando la potencia de un solo fotón. Jansen dice:"Hemos desarrollado un nuevo diseño listo para usar para una molécula motora que es mucho más rápida". El diseño fue publicado en La Revista de Cartas de Química Física el 7 de junio.

El nuevo diseño de la molécula motora comenzó con un proyecto en el que Jansen quería comprender el panorama energético de los cromóforos excitados. "Estos cromóforos se pueden atraer o repeler entre sí. Me preguntaba si podríamos usar esto para hacer que hagan algo, "explica Jansen. Le dio el proyecto a Atreya Majumdar, luego estudiante de primer año en el programa de grado superior de maestría en Nanociencia en Groningen. Majumdar simuló la interacción entre dos cromóforos que estaban conectados para formar una sola molécula.

Luz

Majumdar, que ahora es un Ph.D. estudiante de nanociencia en la Université Paris-Saclay en Francia, dice, "Un solo fotón excitará ambos cromóforos simultáneamente, creando dipolos que hacen que se repelan entre sí ". Pero como están pegados, conectado por un eje de triple enlace, las dos mitades se empujan alrededor del eje. "Durante este movimiento, comienzan a atraerse ". Juntos, esto da como resultado una rotación completa, generado por la energía luminosa y la comunicación electrostática entre los dos cromóforos.

El motor molecular original impulsado por luz fue desarrollado por el colega de Jansen, Ben Feringa, profesor de química orgánica en la Universidad de Groningen y ganador del Premio Nobel de Química 2016. Este motor hace una revolución en cuatro pasos. Dos pasos son impulsados ​​por la luz y dos son impulsados ​​por el calor. "Los pasos de calor limitan la velocidad, ", explica Jansen." La molécula tiene que esperar una fluctuación en la energía térmica para llevarla al siguiente paso ".

Cuellos de botella

Por el contrario, en el nuevo diseño, una rotación es completamente cuesta abajo desde un estado excitado. Debido a las leyes de la dinámica cuántica, un fotón excita ambos cromóforos simultáneamente, por lo que no hay grandes cuellos de botella para limitar la velocidad de rotación, que es, por tanto, de dos a tres órdenes de magnitud mayor que la de los motores clásicos de Feringa.

Todo esto sigue siendo teórico, basado en cálculos y simulaciones. "Construir uno de estos motores no es trivial, ", dice Jansen. Los cromóforos se usan mucho, pero son ligeramente frágiles. Crear un eje de triple enlace tampoco es fácil. Jansen espera que alguien intente construir esta molécula orgánica ahora que se han descrito sus propiedades. Y no es una molécula específica la que tiene estas propiedades, añade Majumdar:"Hemos creado una guía general para el diseño de este tipo de motor molecular".

Plano

Jansen dice que hay algunas aplicaciones potenciales:podrían usarse para impulsar la administración de medicamentos o mover objetos a nanoescala en una superficie, o podrían usarse en otras aplicaciones nanotecnológicas. Y la velocidad de rotación está muy por encima de la del proceso biofísico promedio, por lo que puede usarse para controlar procesos biológicos. En las simulaciones, los motores estaban conectados a una superficie pero también rotarán en solución. Jansen dice:"Se requerirá mucha ingeniería y ajustes para realizar estos motores, pero nuestro plan proporcionará un nuevo tipo de motor molecular".