Investigadores de TU Delft han construido los motores impulsados ​​por flujo más pequeños del mundo. Inspirándose en los icónicos molinos de viento holandeses y las proteínas motoras biológicas, crearon un rotor autoconfigurable impulsado por flujo a partir de ADN que convierte la energía de un gradiente eléctrico o salino en trabajo mecánico útil. Los resultados abren nuevas perspectivas para la ingeniería de robótica activa a nanoescala. El artículo ya está publicado en Nature Physics .

Construcción esquiva

Los motores rotativos han sido los motores de las sociedades humanas durante milenios, desde los molinos de viento y las ruedas hidráulicas hasta las turbinas eólicas marinas más avanzadas de la actualidad que impulsan el futuro de la energía verde. "Estos motores rotativos, impulsados ​​por un flujo, también ocupan un lugar destacado en las células biológicas. Un ejemplo es la FoF1-ATP sintasa, que produce el combustible que las células necesitan para funcionar. Pero la construcción sintética a nanoescala hasta ahora ha sido difícil de alcanzar". dice el Dr. Xin Shi, postdoctorado en el laboratorio del prof. Cees Dekker en el departamento de Bionanociencia en TU Delft.

"Nuestro motor impulsado por flujo está hecho de material de ADN. Esta estructura está acoplada a un nanoporo, una abertura diminuta, en una membrana delgada. El paquete de ADN, de solo 7 nanómetros de espesor, se autoorganiza bajo un campo eléctrico en forma de rotor. configuración, que posteriormente se establece en un movimiento rotatorio sostenido de más de 10 revoluciones por segundo", dice Shi, primer autor de la publicación en Nature Physics .

Papiroflexia de ADN

"Durante siete años, hemos estado tratando de construir este tipo de nanomotores rotatorios sintéticamente de abajo hacia arriba. Usamos una técnica llamada origami de ADN, en colaboración con el laboratorio de Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich", agrega Cees Dekker, quien supervisó la investigación. . Esta técnica utiliza las interacciones específicas entre pares de bases de ADN complementarios para construir nanoobjetos 2D y 3D. Los rotores aprovechan la energía de un flujo de agua e iones que se establece a través de un voltaje aplicado o incluso más simple:al tener diferentes concentraciones de sal en los dos lados de la membrana. Esta última es una de las fuentes de energía más abundantes en biología que impulsa varios procesos críticos, como la síntesis de combustible celular y la propulsión celular.

Resolviendo un rompecabezas

Este logro es un hito, ya que es la primera realización experimental de rotores activos impulsados ​​por flujo a nanoescala. Sin embargo, cuando los investigadores observaron las rotaciones por primera vez, se quedaron perplejos:¿cómo es posible que barras de ADN tan simples exhiban estas rotaciones agradables y sostenidas? El rompecabezas se resolvió en discusiones con el teórico Ramin Golestanian y su equipo en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Göttingen. Modelaron el sistema y revelaron el fascinante proceso de autoorganización en el que los paquetes se deforman espontáneamente en rotores quirales que luego se acoplan al flujo de los nanoporos.

De la sencillez al diseño racional

"Este proceso de autoorganización realmente muestra la belleza de la simplicidad", dice Shi. Pero la importancia de este trabajo no se detiene en este simple rotor en sí. La técnica y el mecanismo físico detrás de esto establecen una dirección completamente nueva en la construcción de nanomotores sintéticos:nanoturbinas impulsadas por flujo, que es un campo sorprendentemente inexplorado por científicos e ingenieros. "Te sorprendería lo poco que sabíamos y logramos en la construcción de tales nanoturbinas impulsadas por flujo, especialmente dado el conocimiento milenario que tenemos sobre la construcción de sus contrapartes a macroescala y los roles críticos que cumplen en la vida misma", dice Shi.

En un paso adicional (que se encuentra en preimpresión), el grupo ha utilizado el conocimiento que aprendió al construir este rotor autoorganizado para realizar un próximo avance importante:la primera turbina a nanoescala diseñada racionalmente. "Al igual que la ciencia y la tecnología siempre funcionan, comenzamos con un simple molinete, ahora podemos recrear los hermosos molinos de viento holandeses, pero esta vez con un tamaño de solo 25 nm, el tamaño de una sola proteína en su cuerpo", dice Shi. , "y demostramos su capacidad para llevar cargas".

"Y ahora, la dirección de rotación fue establecida por la quiralidad diseñada", agrega Dekker. "Las turbinas de mano izquierda giran en el sentido de las agujas del reloj; las de mano derecha giran en el sentido contrario a las agujas del reloj".

Máquina de vapor

A continuación, para comprender mejor e imitar proteínas motoras como FoF1-ATP sintasa, los resultados abren nuevas perspectivas para la ingeniería de robótica activa a nanoescala. Shi:"Lo que hemos demostrado aquí es un motor a nanoescala que es verdaderamente capaz de transducir energía y realizar trabajo. Se podría trazar una analogía con la primera invención de la máquina de vapor en el siglo XVIII. ¿Quién podría haber predicho entonces cómo cambió fundamentalmente nuestras sociedades? Podríamos estar en una fase similar ahora con estos nanomotores moleculares. El potencial es ilimitado, pero aún queda mucho trabajo por hacer". + Explora más

Primer nanomotor eléctrico fabricado con material de ADN