Interpretación artística de una nanomáquina que combina subunidades de motor (rojo y azul) y embrague (verde y morado) conectadas por subunidades de transmisión (cadenas de polímero representadas como cuerdas). Estos dos tipos de subunidades giran en direcciones opuestas cuando se exponen a dos fuentes de luz distintas. Cuando los motores giran (activados por luz ultravioleta), trenzan los pares de cadenas de polímero, y los contratos materiales. Cuando las subunidades del embrague giran (bajo el efecto de la luz blanca), desenroscan las cadenas de polímero, y el material se extiende. Variando la intensidad de la luz, es posible modular la frecuencia relativa del trenzado y desbrazado, y de ese modo gestionar la transmisión global del movimiento, similar a la caja de cambios de un vehículo. La subunidad del motor se representa en detalle en la parte inferior derecha, y la subunidad del modulador en la parte superior izquierda. Crédito:Gad Fuks / Nicolas Giuseppone / Mathieu Lejeune / Woverwolf / Shutterstock.com
Premiado con un Premio Nobel de Química en 2016, las nanomáquinas proporcionan trabajo mecánico en la más pequeña de las escalas. Sin embargo, en dimensiones tan pequeñas, Los motores moleculares pueden completar este trabajo en una sola dirección. Investigadores del Institut Charles Sadron del CNRS, dirigido por Nicolas Giuseppone, profesor de la Université de Strasbourg, trabajando en colaboración con el Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS / Université Paris-Sud), han logrado desarrollar máquinas moleculares más complejas que pueden trabajar en una dirección y en la opuesta. El sistema incluso se puede controlar con precisión, de la misma forma que una caja de cambios. El estudio fue publicado en Nanotecnología de la naturaleza el 20 de marzo 2017.
Los motores moleculares pueden producir un movimiento mecánico cíclico utilizando una fuente de energía externa, como una fuente química o de luz, combinado con el movimiento browniano (movimiento desorganizado y aleatorio de las moléculas circundantes). Sin embargo, los nanomotores están expuestos a colisiones moleculares por todos lados, lo que complica la producción de trabajos mecánicos dirigidos y, por tanto, útiles. Los primeros motores moleculares de la década de 2000 utilizaron el principio del "trinquete browniano, "que como una muesca en una rueda dentada que evita que un mecanismo se mueva hacia atrás, sesgará el movimiento browniano de modo que el motor funcione en una sola dirección. Esto hace posible proporcionar trabajo utilizable, pero no permite un cambio de dirección.
El equipo de investigación se propuso así encontrar una solución para revertir este movimiento, lo que hicieron conectando motores a moduladores moleculares (subunidades de embrague) utilizando cadenas de polímeros (subunidades de transmisión). También se ha establecido un modelo matemático para comprender el comportamiento de esta red.
Cuando se expone a irradiación ultravioleta, los motores giran mientras los moduladores permanecen inmóviles. Las cadenas de polímero se enrollan así sobre sí mismas, y contraerse como una goma elástica que se acorta a medida que se retuerce. El fenómeno se puede observar a escala macroscópica, ya que las moléculas forman un material que se contrae.
Cuando las moléculas se exponen a la luz visible, los motores se detienen y los moduladores se activan. La energía mecánica almacenada en las cadenas de polímero luego hace girar los moduladores en la dirección opuesta al movimiento original, y el material se extiende.
Más espectacular aún, los investigadores pudieron demostrar que la tasa y la velocidad del trabajo producido pueden regularse cuidadosamente mediante una combinación de luz ultravioleta y visible, como una caja de cambios que funciona mediante modulaciones de frecuencia entre motores y moduladores. El equipo ahora está intentando utilizar este estudio para desarrollar dispositivos fotomecánicos que puedan proporcionar trabajo mecánico controlado por luz.
