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El Premio Nobel de Química 2016 ha sido otorgado a
Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L.
Feringa por su desarrollo de máquinas moleculares cuyo
tamaño es mil veces inferior al espesor de un cabello.
Esta es la historia de cómo lograron unir moléculas para
diseñar desde un pequeño ascensor a motores y músculos
diminutos. |
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¿Cuál es la
máquina más pequeña que podemos construir? Esta es la
pregunta que el premio Nobel Richard Feynman, famoso por
sus predicciones sobre el desarrollo de la nanotecnología,
hechas en los años cincuenta del siglo pasado, planteó al
comienzo de una visionaria conferencia en 1984, pero
lo
que ni Feynman, ni los investigadores de la audiencia
sabían en ese momento, era que el paso hacia las primeras
maquinas moleculares ya había sido dado.
A mitad del
siglo XX, como parte de los intentos para construir
moléculas, los químicos estaban tratando de producir
cadenas moleculares en la que moléculas en forma de anillo
estaban unidas entre sí. Se pretendía crear no solo una
nueva e increíble molécula, sino también un nuevo tipo de
enlace. Normalmente, las moléculas se mantienen unidas por
enlaces covalentes fuertes en las que los átomos comparten
electrones. El sueño era crear enlaces mecánicos, en los
que las moléculas están unidas sin que los átomos
interactúen directamente entre sí (figura 1).
En los años
cincuenta y sesenta varios grupos de investigación
informaron de que habían obtenido cadenas moleculares,
pero las cantidades producidas eran pequeñas y los
métodos, tan complejos, que eran de uso limitado. El
descubrimiento fue considerado más como una curiosidad que
como un avance significativo en química. Durante muchos
años prácticamente no se produjeron novedades
importantes en este campo. Sin embargo, un gran avance se
produjo en 1983. Usando un ion de cobre, un grupo de
investigación francés, dirigido por el químico
Jean-Pierre Sauvage, logró construir cadenas
moleculares.
Figura 1. Jean
Pierre Sauvage usó un ion de cobre para entrelazar
moléculas mediante un enlace mecánico.
Gracias a los
iones de cobre, Sauvage fue capaz de aumentar el
rendimiento a un impresionante 42%. De repente, las
cadenas moleculares
eran
algo más que una curiosidad.
Jean-Pierre
Sauvage se dio cuenta pronto de que las cadenas
moleculares (llamados catenanos, del latín
catena) eran, no sólo una nueva clase de moléculas, sino
que también podían ser el primer paso hacia la creación de
una máquina molecular. Para que una máquina pueda realizar
una tarea, debe constar de varias partes que se muevan
unas respecto de otras. Dos anillos entrelazados cumplen
con este requisito. En 1994, el grupo de investigación de
Jean-Pierre Sauvage tuvo éxito en la producción de un
catenano en el que un anillo giraba, de manera controlada,
alrededor de otro anillo cuando se le suministraba
energía. Esto fue el embrión de la primera máquina
molecular no biológica
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En 1991,
Fraser Stoddart y
su grupo de
investigación, construyeron un anillo abierto que
carecía de electrones y una larga varilla o eje que tenía
estructuras ricas en electrones en dos posiciones. Cuando
las dos moléculas se unieron, las zonas con un defecto de
electrones fueron atraídas por aquellas con un exceso de
electrones y el anillo avanza sobre el eje con un
movimiento de roscado. En el paso siguiente cerraron la
abertura del anillo, de manera que se mantuvo en el eje
molecular. Habían creado, con un alto rendimiento, un
rotaxano: una molécula en forma de anillo unida
mecánicamente a un eje.
Fraser
Stoddart utilizó a continuación la libertad del anillo de
moverse a lo largo del eje. Cuando el anillo se calienta
salta hacia delante y atrás - como una pequeña lanzadera -
entre las dos partes ricas en electrones del eje (figura
2). En 1994 se pudo controlar por completo este
movimiento, rompiendo la aleatoriedad que regula los
movimientos en sistemas químicos |
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Figura 2.
Fraser Stoddart logra crear una forma de transporte
molecular que puede ser movido a lo largo de un eje de
forma controlada. |
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Desde 1994, el
grupo de investigación de Stoddart ha utilizado varios
rotaxanos para construir numerosas máquinas moleculares,
incluyendo un ascensor (2004), que puede elevarse 0,7
nanómetros sobre una superficie, y un músculo artificial
(2005), donde rotaxanos doblan una delgada lámina de oro. |
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El ascensor
molecular de Fraser Stoddart
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Jean-Pierre
Sauvage ha
entrelazado dos bucles moleculares de modo que la
estructura puede estirarse y contraerse |
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En 1999
Ben Feringa produjo el primer motor molecular,
utilizando una serie de ingeniosos trucos para conseguir
que girara en una única dirección. Normalmente los
movimientos de las moléculas son aleatorios. En promedio
una molécula se mueve tantas veces a la derecha como a la
izquierda. Pero Ben Feringa diseñó una molécula que girara
en una dirección particular (figura 3). |
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Figura 3. Ben
Feringa creó el primer motor molecular, lo construyó de
forma que girara en una dirección determinada. Su grupo de
investigación ha optimizado el motor de modo que
actualmente gira a 12 millones de revoluciones por
segundo. |
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En 2011, el
grupo de investigación también construyó un nanocoche con
tracción en las cuatro ruedas; un chasis molecular
mantiene unidos cuatro motores que funcionaban como
ruedas. Cuando las ruedas giran, el coche se mueve hacia
delante sobre una superficie (figura 4).
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Figura 4. El
nanocar con cuatro ruedas de Ben Feringa |
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En otro
sorprendente experimento, el grupo de investigación de
Ben Feringa utilizó motores moleculares para
hacer girar un cilindro de vidrio de 28 micrómetros (10
000 veces más grande que los motores moleculares). En el
experimento se incorporaron los motores a un cristal
líquido (un fluido con estructura cristalina). Solo uno
por ciento del cristal líquido consistía en motores
moleculares, pero, cuando los investigadores los hicieron
funcionar, los motores cambiaron la estructura del cristal
líquido. A continuación colocaron un cilindro de vidrio en
la parte superior del cristal líquido, el cilindro comenzó
a girar debido al movimiento proporcionado por los motores |
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Las
innovadoras medidas adoptadas por Jean-Pierre
Sauvage, Fraser Stoddart y Ben Feringa en el
desarrollo de la maquinaria molecular han dado generado
una verdadera caja de herramientas de estructuras químicas
que son utilizadas por los investigadores de todo el mundo
para lograr creaciones cada vez más avanzadas. Uno de los
ejemplos más llamativos es un robot molecular que puede
captar y conectar aminoácidos. Este fue construido en 2013
y utiliza un rotaxano como su pieza básica.
En términos de
desarrollo el motor molecular está, más o menos, al mismo
nivel que el motor eléctrico se encontraba en la década de
1830, cuando los investigadores mostraban con orgullo en
sus laboratorios manivelas y ruedas giratorias, sin tener
ni idea de que iban a llevarnos a los trenes eléctricos,
lavadoras, ventiladores y las comidas procesadas.
Así que, 32
años después de la visionaria conferencia de Feynman,
podemos solo intuir los emocionantes acontecimientos que
nos esperan. Sin embargo, ya tenemos una respuesta a su
pregunta inicial ¿Cuál es la máquina más pequeña que
podemos construir? Al menos 1000 veces más pequeña que el
espesor de un cabello.
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