A primera vista, los motores moleculares de Rabih O. Al-Kaysi se parecen a los gusanos microscópicos que se ven en una gota de agua de un estanque. Pero estas cintas que se retuercen no están vivas; son dispositivos fabricados a partir de moléculas cristalizadas que realizan movimientos coordinados cuando se exponen a la luz. Con un desarrollo continuo, afirman Al-Kaysi y sus colegas, sus pequeñas máquinas podrían ser utilizadas por los médicos como robots de administración de medicamentos o diseñadas para formar conjuntos que dirijan el flujo de agua alrededor de los submarinos.
Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la reunión de primavera de la Sociedad Química Estadounidense (ACS).
El equipo construyó su motor de cristal molecular inicial en 2021 con moléculas que permitieron la fotoisomerización; en pocas palabras, las moléculas individuales en el motor agitan uno de sus grupos químicos hacia adelante y hacia atrás cuando se exponen a la luz, y su movimiento colectivo da como resultado un movimiento visible del motor. mismo.
"Nuestro primer motor fue un microcable que se doblaba y revoloteaba cuando lo exponía a una combinación de luz ultravioleta y luz visible", dice Al-Kaysi. "Parecía un bailarín de cintas. Parecía vivo."
Las moléculas del primer motor del equipo necesitaban varias longitudes de onda de luz (UV y visible) para impulsar la fotoisomerización. Sin embargo, Al-Kaysi y su colega Christopher Bardeen querían crear motores de cristal molecular que solo necesitaran una única longitud de onda de luz para funcionar. Entonces, sintetizaron una biblioteca de moléculas de antraceno absorbentes de luz capaces de realizar movimientos continuos de ida y vuelta (es decir, fotoisomerización continua) con una sola fuente de luz.
Los investigadores están en el proceso de caracterizar las moléculas basadas en antraceno y utilizarlas como componentes básicos para crear más motores de cristales moleculares. Su colección de animales activada por luz ahora incluye largas cuerdas con forma de serpiente y una araña muy peluda que puede doblarse, saltar, girar y bailar.
Al-Kaysi, químico orgánico de la Universidad de Ciencias de la Salud Rey Saud bin Abdulaziz y del Centro Internacional de Investigación Médica Rey Abdullah, ha trabajado con Bardeen, profesor de química de la Universidad de California, Riverside, durante más de dos décadas en cristales fotomecánicos.
Estos cristales "inteligentes" convierten la energía que absorben de la luz en trabajo mecánico y normalmente se caracterizan por ser térmicamente reversibles o fotoquímicamente reversibles. En otras palabras, el movimiento inicial de los cristales en respuesta a un estímulo luminoso se revierte con un segundo estímulo de calor o luz, respectivamente. Sin embargo, un tercer subconjunto de estos cristales inteligentes está recibiendo más atención por parte de químicos como Al-Kaysi y Bardeen debido a su capacidad para mantener un movimiento oscilante continuo cuando se exponen a una única fuente de luz.
Las moléculas fotorreactivas de la biblioteca de Al-Kaysi son el punto de partida para fabricar motores de cristales moleculares. Cada una de las moléculas contiene tres segmentos:un segmento de antraceno, un doble enlace de carbono y un "grupo de cabeza" personalizable en el otro lado del enlace de carbono. El antraceno absorbe la luz y transmite la energía al doble enlace de carbono, que actúa como eje de la molécula. Luego, el grupo principal determina la estructura, la forma y el comportamiento del empaquetamiento cristalino de la molécula.
Una vez que se sintetizan las moléculas de antraceno, se inyectan en una solución jabonosa donde se empaquetan en un proceso llamado ingeniería cristalina. Estos grumos cristalizados se utilizan como "semillas" y se colocan en otra solución jabonosa con más moléculas de antraceno, donde se autoensamblan en formas más grandes, generalmente varillas y alambres.
Algunas de estas estructuras se autoensamblan en formas aún más complejas que son visibles a simple vista. Si bien el autoensamblaje del motor es en su mayor parte aleatorio, los investigadores están buscando formas de dirigirlo variando la temperatura y la cantidad de jabón del líquido y agitando el líquido a diferentes velocidades.
Cuando se iluminan en su solución jabonosa, los motores muestran un movimiento 3D intrincado y continuo. Los investigadores pueden sintonizar el movimiento de un motor ajustando la intensidad de la luz y la longitud de onda. A nivel molecular, el movimiento es impulsado por la fotoisomerización alrededor del doble enlace del carbono, como saben los investigadores. Sin embargo, todavía están investigando cómo las moléculas coordinan este comportamiento en todo el motor del cristal molecular.
En las demostraciones, los investigadores descubrieron que los motores son notablemente duraderos y no muestran signos de fatiga después de horas de exposición a la luz. Y como están basados en cristales, tienen una resistencia innata a la corrosión y a las interferencias electromagnéticas y ofrecen una relación peso-potencia "excepcional". Según los investigadores, estas cualidades hacen que los motores de cristal molecular sean especialmente adecuados para aplicaciones biomédicas, micromáquinas y microsatélites.
Al-Kaysi y Bardeen dicen que con la ayuda de un "toque de ingeniero", sus descubrimientos científicos básicos tienen el potencial de resolver problemas del mundo real, como máquinas moleculares activadas por luz para la administración de medicamentos y matrices que dirigen el flujo de agua alrededor de una casco del barco.
Proporcionado por la Sociedad Química Estadounidense
