Cubierta de la naturaleza
(PhysOrg.com) - Reducido al máximo:el libre de emisiones, coche silencioso de 4 ruedas motrices, desarrollado conjuntamente por los investigadores de Empa y sus colegas holandeses, representa la construcción ligera en su forma más extrema. El nano automóvil consta de una sola molécula y viaja sobre cuatro ruedas accionadas eléctricamente en una línea casi recta sobre una superficie de cobre. El "prototipo" se puede admirar en la portada de la última edición de Naturaleza .
Para realizar trabajos mecánicos, uno suele recurrir a motores, que transforman químicos, energía térmica o eléctrica en energía cinética para, decir, transportar mercancías de A a B. La naturaleza hace lo mismo; en celdas, las denominadas proteínas motoras, como la kinesina y la proteína muscular actina, realizan esta tarea. Por lo general, se deslizan a lo largo de otras proteínas, similar a un tren sobre rieles, y en el proceso "quemar" ATP (trifosfato de adenosina), el combustible químico, por así decirlo, del mundo viviente.
Midiendo aproximadamente 4x2 nanómetros, el automóvil molecular avanza sobre una superficie de cobre sobre cuatro ruedas accionadas eléctricamente.
Varios químicos tienen como objetivo utilizar principios y conceptos similares para diseñar máquinas de transporte molecular, que luego podría realizar tareas específicas a nanoescala. Según un artículo de la última edición de la revista científica "Nature", Los científicos de la Universidad de Groningen y de Empa han dado con éxito “un paso decisivo en el camino hacia los sistemas de transporte artificiales a nanoescala”. Han sintetizado una molécula a partir de cuatro unidades motoras giratorias, es decir, ruedas, que puede viajar en línea recta de manera controlada. "Para hacer esto, nuestro coche no necesita raíles ni gasolina; funciona con electricidad. Debe ser el automóvil eléctrico más pequeño del mundo, e incluso viene con tracción en las 4 ruedas ”, comenta el investigador de Empa, Karl-Heinz Ernst.
Alcance por tanque de combustible:todavía hay margen de mejora
La desventaja:el coche pequeño, que mide aproximadamente 4x2 nanómetros, aproximadamente mil millones de veces más pequeño que un VW Golf, necesita ser reabastecido con electricidad después de cada media revolución de las ruedas, a través de la punta de un microscopio de efecto túnel (STM). Es más, debido a su diseño molecular, las ruedas solo pueden girar en una dirección. "En otras palabras:no hay marcha atrás", dice Ernst, quien también es profesor en la Universidad de Zurich, lacónicamente.
De acuerdo con su "plan de construcción", el impulso de la molécula orgánica compleja funciona de la siguiente manera:después de sublimarla sobre una superficie de cobre y colocar una punta STM sobre ella dejando un espacio razonable, Colega de Ernst, Manfred Parschau, aplicó un voltaje de al menos 500 mV. Ahora los electrones deberían "hacer un túnel" a través de la molécula, provocando así cambios estructurales reversibles en cada una de las cuatro unidades motoras. Comienza con una isomerización cis-trans que tiene lugar en un doble enlace, una especie de reordenamiento - en una posición extremadamente desfavorable en términos espaciales, aunque, en el que grandes grupos laterales luchan por el espacio. Como resultado, los dos grupos laterales se inclinan para pasar uno al otro y volver a su posición original energéticamente más favorable:la rueda ha completado media vuelta. Si las cuatro ruedas giran al mismo tiempo, el automóvil debe viajar hacia adelante. Por lo menos, según la teoría basada en la estructura molecular.
Conducir o no conducir:una simple cuestión de orientación
Y esto es lo que observaron Ernst y Parschau:después de diez estimulaciones STM, la molécula se había movido seis nanómetros hacia adelante, en una línea más o menos recta. “Las desviaciones de la trayectoria predicha se deben al hecho de que no es nada trivial estimular las cuatro unidades motoras al mismo tiempo”, explica el "conductor de pruebas" Ernst.
Otro experimento mostró que la molécula realmente se comporta como se predijo. Una parte de la molécula puede girar libremente alrededor del eje central, un enlace simple C-C:el chasis del automóvil, por así decirlo. Por lo tanto, puede "aterrizar" en la superficie de cobre en dos orientaciones diferentes:en la derecha, en el que las cuatro ruedas giran en la misma dirección, y en el equivocado en el que las ruedas del eje trasero giran hacia adelante pero las delanteras giran hacia atrás; al excitarse, el automóvil permanece parado. Ernst und Parschau pudieron observar esto, también, con el STM.
Por lo tanto, los investigadores han logrado su primer objetivo, una "prueba de concepto", es decir, han podido demostrar que las moléculas individuales pueden absorber energía eléctrica externa y transformarla en un movimiento dirigido. El siguiente paso previsto por Ernst y sus colegas es desarrollar moléculas que puedan ser impulsadas por la luz, quizás en forma de láseres ultravioleta.
