Para que los motores moleculares se exploten de forma eficaz, necesitan poder operar al unísono. Sin embargo, La integración de miles de millones de estos motores de tamaño nanométrico en un solo sistema y hacer que funcionen al unísono ha demostrado ser todo un desafío. Los químicos orgánicos de la Universidad de Groningen han logrado integrar numerosos motores rotativos unidireccionales impulsados ​​por luz en una estructura organometálica (un material sólido con una estructura en forma de jaula en 3D). Los detalles de su descubrimiento se publicaron el 18 de marzo de en el diario Nanotecnología de la naturaleza .

Los motores moleculares rotativos impulsados ​​por luz fueron creados por primera vez por Ben Feringa, químico orgánico de la Universidad de Groningen. El profesor Feringa y otros dos compartieron el Premio Nobel de Química 2016 por este descubrimiento. Se han adherido a las superficies grupos de varios tipos de motores moleculares a nanoescala y se han incorporado a los geles, cristales líquidos y fibras musculares donde pueden realizar un trabajo a escala macro, a través de la acción cooperativa. Sin embargo, la creación de una matriz ordenada de estos motores en un material de estado sólido 3-D ha, hasta ahora, permaneció fuera de nuestro alcance.

Cristales

Un equipo de científicos de la Universidad de Groningen, dirigido por Ben Feringa, Profesor asistente Sander Wezenberg, y el profesor Wesley Browne, asumió este desafío. Ahora han producido un sistema de trabajo que contiene 3 x 10 ²⁰ (un tres seguido de 20 ceros) motores rotativos unidireccionales impulsados ​​por luz por centímetro cúbico, que todos corren al unísono.

Los científicos alojaron los motores en estructuras organometálicas (MOF), jaulas moleculares hechas de metales con "puntales" interconectados de moléculas orgánicas. Las pilas 3-D ordenadas de estas jaulas moleculares forman cristales. Una vez que crecieron estos cristales, el equipo reemplazó los pilares verticales con moléculas motoras, utilizando un proceso conocido como intercambio de enlazador asistido por solvente. No fue posible insertar los motores en una etapa anterior, ya que no habrían podido soportar las condiciones necesarias para sintetizar los MOF.

Pilares

Los componentes del estator de los motores moleculares funcionan como pilares de las jaulas, mientras que los componentes del rotor permanecen libres dentro de las jaulas. Las jaulas fueron diseñadas para ser lo suficientemente grandes como para permitir que los motores funcionen libremente, sin obstáculos. Los propios motores se alimentaban iluminando el cristal con luz ultravioleta. Las pruebas en estos sistemas mostraron que los motores estaban orientados predominantemente en la misma dirección y que su velocidad de rotación era similar a las velocidades alcanzadas en líquidos. El equipo estaba encantado, ya que los intentos anteriores de otros grupos de incorporar rotaxanos (otro tipo de máquina molecular) en los MOF demostraron que estos motores no podían funcionar libremente.

Por lo tanto, ahora es posible crear un "MOF motorizado, "en el que un gran número de motores moleculares se agrupan densamente para crear cristales macroscópicos. En teoría, cristales como este podrían usarse para controlar la difusión de gases, o podrían funcionar como bombas de luz en sistemas de microfluidos. Otra aplicación potencial sería alimentar el MOF motorizado con materiales que luego reaccionarían dentro de las jaulas antes de ser bombeados nuevamente.

Sin embargo, Se necesita mucha más investigación antes de que cualquiera de estas aplicaciones se convierta en realidad. Un problema potencial, por ejemplo, es que los materiales que atraviesan las jaulas podrían interferir con el funcionamiento de los motores, causando que el sistema se atasque. Sin embargo, el sistema presentado por el profesor Feringa y su equipo proporcionará un trampolín para futuras exploraciones del comportamiento colectivo de los motores rotativos integrados en matrices 3-D.