Se utilizó un método de medición innovador en el Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia para estimar la potencia generada por motores de tamaño de una sola molécula. que comprende solo unas pocas docenas de átomos. Los hallazgos del estudio son de crucial importancia para la construcción de futuras máquinas nanométricas, y no infunden optimismo.

Las nanomáquinas son dispositivos del futuro. Compuesto por muy pocos átomos, estarían en el rango de mil millonésimas partes de un metro de tamaño. La construcción de nanomáquinas eficientes conduciría muy probablemente a otra revolución civilizatoria. Es por eso que los investigadores de todo el mundo observan varias moléculas que intentan ponerlas en funcionamiento mecánico.

Investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) en Varsovia fueron de los primeros en medir la eficiencia de las máquinas moleculares compuestas por unas pocas docenas de átomos. "Todo apunta a la creencia de que la potencia de los motores compuestos de moléculas relativamente pequeñas es considerablemente menor de lo esperado ", dice el Dr. Andrzej? ywoci? ski del IPC PAS, uno de los coautores del artículo publicado en el Nanoescala diario.

Los motores moleculares estudiados en el IPC PAS son moléculas de cristales líquidos tipo C * esmecticos, compuesto por unas pocas decenas de átomos (cada molécula tiene 2,8 nanómetros de largo). Después de depositarse en la superficie del agua, las moléculas, en condiciones apropiadas, forman espontáneamente la capa más delgada posible:una capa monomolecular de estructura y propiedades específicas. Cada molécula de cristal líquido está compuesta por una cadena con su terminal hidrófilo anclado en la superficie del agua. Un relativamente largo, La parte hidrofóbica inclinada sobresale sobre la superficie. Entonces, La capa monomolecular se asemeja a un bosque con árboles que crecen en cierto ángulo. El terminal libre de cada cadena incluye dos grupos de átomos dispuestos transversalmente con diferentes tamaños, formando una hélice de dos palas con palas de diferentes longitudes. Cuando las moléculas de agua en evaporación golpean las "hélices", toda la cadena comienza a girar alrededor de su "ancla" debido a la asimetría.

Las propiedades específicas de los cristales líquidos y las condiciones del experimento dan lugar a un movimiento en fase de moléculas adyacentes en la monocapa. Se estima que "extensiones de bosque" de hasta un billón (10 ^ 12) de moléculas, formando áreas de tamaños milimétricos en la superficie del agua, son capaces de sincronizar sus rotaciones. "Es más, las moléculas que estudiamos giraban muy lentamente. Una rotación puede durar desde unos pocos segundos hasta unos minutos. Esta es una propiedad muy deseada. ¿Girarían las moléculas con, por ejemplo, frecuencias de megahercios, su energía difícilmente podría transferirse a objetos más grandes ", explica el Dr.? ywoci? ski.

Las estimaciones de potencia anteriores para nanomotores moleculares estaban relacionadas con moléculas mucho más grandes, oa motores propulsados ​​por reacciones químicas. Además, estas estimaciones no tuvieron en cuenta la resistencia del medio donde trabajaron las moléculas.

Gratis, Las rotaciones colectivas de moléculas de cristal líquido en la superficie del agua se pueden observar y medir fácilmente. Investigadores del IPC PAS comprobaron cómo cambia la velocidad de rotación en función de la temperatura; estimaron también cambios en la viscosidad (rotacional) en el sistema en estudio. Resultó que la energía del movimiento de una sola molécula generada durante una rotación es muy baja:solo 3,5 · 10 ^ -28 julios. Este valor es hasta diez millones de veces menor que la energía del movimiento térmico.

"Nuestras medidas son un balde de agua fría para los diseñadores de nanomáquinas moleculares", advierte al Prof. Robert Ho? yst (IPC PAS).

A pesar de generar poca potencia, Las moléculas de cristal líquido rotativas pueden encontrar aplicaciones prácticas. Esto se debe al hecho de que un gran conjunto de moléculas que rotan colectivamente genera una potencia correspondientemente más alta. Es más, un solo centímetro cuadrado de la superficie del agua puede acomodar muchos de estos conjuntos con billones de moléculas cada uno.

La misma investigación en el IPC PAS también incluyó una comparación de la energía generada por la rotación de moléculas de cristales líquidos con la energía de un solo motor biológico, una molécula muy grande conocida como adenosintrifosfatasa (ATPasa). La enzima juega un papel de bomba de sodio-potasio en las células animales. Con los cálculos adecuados se estimó que la densidad de energía generada en una unidad de volumen era de aproximadamente 100, 000 veces mayor para ATPasa que para cristales líquidos rotativos.

"La evolución tardó millones de años en desarrollar una bomba molecular tan eficiente. Nosotros, humanos, han estado trabajando con máquinas moleculares durante un par o quizás una docena de años solamente ", comenta el Prof. Ho? yst y añade:"Danos un poco de tiempo".