domingo, 30 de octubre de 2016

¿Qué tan pequeñas puedes ser las máquinas? Esta es la pregunta que el premio Nobel Richard Feynman, famoso por sus predicciones de la evolución de la nanotecnología en 1950, planteo al comienzo de una conferencia visionaria en 1984. Descalzo y vistiendo un polo rosa con pantalones cortos de color beige, se dirigió a la audiencia y dijo: "Ahora vamos a hablar de la posibilidad de hacer máquinas con partes móviles, muy pequeñas ".

Estaba convencido de que era posible construir máquinas con dimensiones nanométricas. Estas
ya existían en la naturaleza. Hablo de los flagelos de bacterias como un ejemplo, -los cuales, cuando giran, hacen que las bacterias se mueva hacia adelante. Pero, ¿podría el ser humano, con sus gigantescas manos, construir computadoras tan pequeñas que se necesitaría un microscopio electrónico para verlos?

Una visión del futuro - máquinas moleculares existirá plazo de 25-30 años

Una forma posible sería construir un par de manos mecánicas que más pequeñas que la propia,
que a su vez construyera un par de manos más pequeñas, las cuales en un ciclo sucesivo elaborará un par de manos minúsculas que pueden construir máquinas igualmente minúsculas. Esto se ha intentado, explico Feynman, pero sin gran éxito.
 
Otra estrategia, en la que Richard Feynman tenía más fe, sería construir la maquinaria de
abajo hacia arriba. En su construcción teórica, diferentes sustancias, tales como el silicio, se pulverizarían sobre una superficie, una capa de átomos tras otro. Después de un tiempo, algunas capas estarían parcialmente disueltas, a partir de este punto se podrían crear piezas que se podrían controlar mediante una corriente eléctrica en movimiento. En la visión de Feynman del futuro, una construcción de este tipo se podría utilizar para crear un obturador óptico para una pequeña cámara.

El objetivo de la conferencia era inspirar a los investigadores en la audiencia, para conseguir poner a prueba los límites de lo que se creía posible. Cuando Feynman finalmente guardó sus notas, contempló la audiencia y dijo maliciosamente: "... es un tiempo maravilloso para el diseño de toda esta maquinaria. Se logrará en 25 a 30 años, con algún uso práctico. Su uso, no lo sé ".

Lo que Feynman, ni los investigadores en la audiencia, sabían ese momento era que el primer
paso hacia la maquinaria molecular ya se había hecho, pero de una manera bastante diferente a la
predicha por Feynman.

Moléculas enclavados mecánicamente

En la segunda mitad del siglo 20, como parte de los esfuerzos para construir moléculas cada vez más avanzadas, los químicos intentaban producir cadenas moleculares en la que las moléculas en forma de anillo se unieran entre sí.  El equipo que tuviera éxito no sólo crearía una nueva molécula increíble, sino también un nuevo tipo de enlace.

Normalmente, las moléculas se mantienen unidas por un fuerte enlaces covalentes en el que los átomos comparten electrones. El sueño era crear en su lugar uniones mecánicas, donde las moléculas estarían enclavadas sin que los átomos interactuarán directamente entre sí.
Sauvage uso un ion de cobre para unir moléculas. Créditos: Foundation Nobel Prize.

En los años '50s y '60s, varios grupos de investigación lograron tales cadenas moleculares, pero las cantidades que producían eran tan pequeñas y los métodos tan complejos que su uso era limitado. El progreso fue considerado más como una curiosidad química que funcional. Después de años de reveses, muchos investigadores perdieron la esperanza y, a principios de la década de 1980, el campo fue detenido por los escasos resultados. Sin embargo, el mayor avance se produjo en 1983. Al usar un ion de cobre ordinario, un grupo de investigación francés, dirigido por el químico Jean-Pierre Sauvage, tomó el control de las moléculas.

Jean-Pierre Sauvage une moléculas alrededor de un ion de cobre

Como sucede a menudo en la investigación, la inspiración llegó de un campo completamente diferente. Jean Pierre Sauvage trabajaba con la fotoquímica, en el que se desarrollan complejos moleculares que pueden capturar la energía contenida en los rayos del sol y utilizarla para conducir reacciones químicas. Cuando Jean Pierre Sauvage construyó un modelo de uno de estos complejos de actividad fotoquímica, de repente vio la similitud a una cadena molecular: dos moléculas se entrelazaban alrededor de un ión de cobre central.

Esta percepción condujo a un giro dramático en la dirección de la investigación de Jean-Pierre Sauvage. Usando su complejo químico como modelo, su grupo de investigación construyó un anillo con forma de media luna y en forma de una molécula atraídos por un ion de cobre; el ión de cobre proporcionaba una especie de fuerza de cohesión que mantenía a las moléculas juntas. En un segundo paso, el grupo utilizó sus avances para mantener la molécula con forma de media luna con una tercera molécula formando un nuevo anillo, creando de este modo el primer eslabón de una cadena. Luego, los investigadores podrían quitar el ión de cobre, que ya había servido a su propósito.

Al analizar el rendimiento de la reacción los químicos consideraron el porcentaje de las moléculas iniciales que formaron la molécula final. En intentos anteriores para crear moléculas con enlaces, los investigadores habían logrado en el mejor de los casos un rendimiento de apenas uno por ciento. Gracias a la de iones de cobre, Sauvage fue capaz de aumentar el rendimiento a un impresionante 42 por ciento. De repente, las cadenas moleculares ya no eran más que una curiosidad.

Con la ayuda de este método revolucionario, Sauvage revitalizó el campo de la la química topológica, en el que los investigadores a menudo utilizaban iones metálicos para crear estructuras cada vez más complejas, con largas cadenas de nudos complicados. Jean-Pierre Sauvage y J. Fraser Stoddart son líderes en este campo y sus grupos de investigación han creado versiones moleculares de símbolos culturales como el nudo de trébol, nudo de Salomón y los anillos de Borromeo.
La primer molécula fue creada por Jean-Pierre Sauvage llamado un nudo de trébol molecular. Este símbolo se encuentra en las cruces célticas, que representa al martillo de Thor (Mjolnir) y, en el cristianismo, simboliza la Santa Trinidad. El segundo fue realizado por Fraser Stoddart los llamados anillos moleculares de Borromeo. La familia italiana Borromeo utilizó este símbolo en su escudo. También se encuentra en imágenes nórdicas antiguas y ha simbolizado la Santa Trinidad. Stoddart y Sauvage han hecho una versión molecular del nudo de Salomón, un símbolo de la sabiduría del rey Salomón, utilizado con frecuencia en el Islam y que se encuentra en mosaicos romanos. Créditos: Nobel Foundation.

Sin embargo, los estéticos nudos moleculares son sólo un paso en la historia del Premio Nobel de Química 201.

...Y el primer paso hacia un motor molecular

Jean-Pierre Sauvage pronto se dio cuenta de que las cadenas moleculares, (llamadascatenanos), eran no sólo una nueva clase de molécula, sino que también eran el primer paso hacia
creación de una máquina molecular. Para que una máquina para realizar una tarea, debe constar de varias partes que se mueven en relación de unas con otras. Los dos anillos entrelazados cumplen este requisito. En 1994, el grupo de investigación de Jean-Pierre Sauvage también tuvo éxito en la producción de un catenano en el un anillo giraba, de una manera controlada, alrededor de otro anillo cuando se añadió energía. Este fue el primer embrión de una máquina molecular no biológica.

El segundo embrión de una máquina molecular fue producido por un químico que se crió en una granja sin electricidad ni ningún comodidad de hoy en día en Escocia.

Fraser Stoddart insertó un anillo molecular sobre un eje molecular

De niño, J. Fraser Stoddart no tuvo televisión o una computadora. En cambio, tuvo sierras de calar, por lo que tuvo la formación de una habilidad que los químicos necesitan: reconocer formas y ver cómo se pueden vincular juntas. También se sintió atraído por la química por la posibilidad de convertirse en un artista molecular, - esculpir nuevas formas, que el mundo nunca había visto antes-.

Cuando Fraser Stoddart desarrolló una de sus creaciones moleculares que son la base del Premio Nobel de Química 2016, utilizó el potencial de la química para el diseño de moléculas que son atraídas entre sí. En 1991, su grupo de investigación construyó un anillo abierto que carecía de electrones y  un largo eje, que tenía estructuras ricas en electrones en dos lugares. Cuando las dos moléculas se unieron en una solución, los electrones ocuparon el espacio sin ellos y el anillo se enroscó en el eje. En el siguiente paso, el grupo de investigación se centro en mantener la abertura en el anillo de manera que se mantuviera el eje en la molécula. Tenían por lo tanto, un alto rendimiento, creando un rotaxano, una molécula en forma de anillo que esta mecánicamente unida a un eje.

Fraser Stoddart a continuación hizo uso de la libertad del anillo para moverse a lo largo del eje. Cuando se añade calor el anillo da un salto hacia delante y atrás, como una pequeña lanzadera, entre las dos partes ricos en electrones del eje. En 1994, se pudo controlar por completo este movimiento, rompiendo de este modo de distancia de la aleatoriedad que de otro modo regula los movimientos en los sistemas químicos.
Fraser Stoddart creado un servicio de transporte molecular que puede mover a lo largo de un eje de una manera controlada. Créditos: Nobel Foundation.

Un ascensor, un músculo y un chip de ordenador minúsculo

Desde 1994, el grupo de investigación de Stoddart ha utilizado diversos rotaxanos para construir numerosas máquinas molecular, incluyendo un ascensor en 2004, el cual puede elevarse 0,7 nanómetros por encima de una superficie, y un músculo artificial (2005), que puede mover lámina de oro muy fina.


Elevador molecular de Stoddart. Créditos: Nobel Foundation.
En colaboración con otros investigadores, Fraser Stoddart también ha desarrollado un chip con una memoria de 20 Kb basado en rotaxanos. Los transistores en los chips de los ordenadores actuales son pequeños, pero gigantescos en comparación con los transistores elaborados con molécula. Los investigadores creen que los chips de computadoras moleculares puede revolucionar la tecnología informática de la misma forma que los transistores basados ​​en silicio lo hicieron una vez.

Jean-Pierre Sauvage también ha investigado el potencial de los rotaxanos. En 2000, su grupo de investigación enhebró dos moléculas a través de bucle, formando una estructura elástica que es una reminiscencia de los filamentos de un músculo humano. También han construido una estructura que se puede comparar a una motor, donde el anillo del rotaxano gira alternativamente en diferentes direcciones.
Estructura elástica de Sauvage. Créditos: Nobel Foundation.

La producción de motores que giran continuamente en el misma dirección ha sido un objetivo importante para la ingeniería molecular. Diferentes intentos se hicieron en la década de 1990, pero en primero en lograrlo fue el holandés Bernard (Ben) L. Feringa.

Ben Feringa construye los primeros motores moleculares

Al igual que Fraser Stoddart, Ben Feringa se crió en una granja y se sintió atraído por la química por su sinfín de oportunidades para la creatividad. Como lo expresó en una entrevista: "Tal vez el poder de la química no sólo es la comprensión, sino también la creación, de moléculas y materiales que nunca antes han existido... "

En 1999, cuando Ben Feringa produjo el primer motor molecular, utilizó una serie de trucos ingeniosos para conseguir que girará en una misma dirección. Normalmente, los movimientos de las moléculas se rigen por casualidad; en promedio, una molécula de hilatura se mueve tantas veces a la derecha como a la izquierda. Pero Ben Feringa diseñó una molécula construida mecánicamente para girar en una dirección particular.
Cuando Ben Feringa creó el primer motor molecular, fue construido mecánicamente para girar en una dirección particular. Su grupo de investigación ha optimizado el motor de modo que ahora gira a 12 millones de revoluciones por segundo. Créditos: Nobel Foundation.

La molécula se compone de algo que se puede comparar a dos pequeñas palas del rotor, dos estructuras químicas planas que se han juntado con un doble enlace entre dos átomos de carbono. Se unió a un grupo metilo a cada pala de rotor; usando trinquetes se obligó a la molécula a mantener la rotación en la misma dirección. Cuando la molécula se expuso a un pulso de luz ultravioleta, una
pala de rotor saltó 180 grados alrededor del doble enlace central. A continuación, el trinquete se colocó en posición. Con el siguiente pulso de luz, la pala del rotor saltó otros 180 grados. Y así continuó en la misma dirección.

El primer motor no era exactamente rápido, pero el grupo de investigación de Feringa lo ha optimizado. En 2014 el motor giró a una velocidad de 12 millones de revoluciones por segundo. En 2011, el grupo de investigación también construyó una tracción a las cuatro ruedas de un nanocoche; un chasis molecular que se mantiene unido con cuatro motores que funcionaron como ruedas.
Cuando las ruedas se extienden, el coche se movió hacia adelante sobre una superficie.
Nanocoche creado por Feringa. Créditos: Nobel Foundation.


Un motor molecular hace girar un cilindro de vidrio pequeño

En otro experimento sorprendente, el grupo de investigación de Ben Feringa ha utilizado motores moleculares para hacer girar un cilindro de vidrio largo de 28 micras (10,000 veces más grande que los motores moleculares). En el experimento incorporaron los motores en un cristal líquido (un líquido con una estructura cristalina). Solo uno por ciento del cristal líquido consistía en motores moleculares, pero, cuando los investigadores hicieron que girarán, los motores cambiaron la estructura del cristal líquido. Cuando los investigadores colocaron el cilindro de vidrio en la parte superior del cristal líquido, que giraba debido al movimiento proporcionada por los motores (un vídeo de este proceso se puede ver en Nature).

Una caja de herramientas moleculares para construir

Las medidas innovadoras adoptadas por Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart y Ben Feringa en el desarrollo de maquinaria molecular ha resultado en una caja de herramientas de estructuras químicas que son utilizadas por los investigadores de todo el mundo para construir creaciones cada vez más avanzadas. Una de las más llamativas es un robot molecular que puede captar y conectar aminoácidos. Fue construido en 2013 con un rotaxano como su base.

Otros investigadores han conectado motores moleculares de polímeros largos, para formar una intrincada red. Cuando los motores moleculares son expuestos a la luz, los polímeros forman paquetes desordenados. De esta manera, la energía de luz se almacena en las moléculas y, si los investigadores encontrarán una técnica para recuperar esta energía, un nuevo tipo de batería podría desarrollarse. El material también se reduce cuando los motores enredan los polímeros, los cuales podrían ser utilizados para desarrollar sensores que reaccionen a la luz.

Lejos del equilibrio - hacia una nueva y vibrante química

Una parte importante del desarrollo que se ha dado como resultado el Premio Nobel de Química 2016 es que los investigadores han impulsado sistemas moleculares lejos de lo que se llama equilibrio. Todos los agentes químicos en sistemas luchan por el equilibrio - un estado de menor energía - pero esto bien se puede decir que es un punto muerto. Podemos tomar la vida como un ejemplo. Cuando comemos, las moléculas del cuerpo extraen la energía de los alimentos y empujan nuestros sistemas moleculares lejos del equilibrio, a niveles de energía más altos. Las biomoléculas luego utilizan la energía para impulsar reacciones químicas necesarias para que el cuerpo funcione. Si el cuerpo estuviera en equilibrio químico, estaría muerto.

Al igual que las moléculas de la vida, moléculas artificiales de Sauvage, Stoddart y Feringa realizan
tareas controladas. La química ha tomado los primeros pasos hacia un nuevo mundo. El tiempo ha demostrado claramente el efecto revolucionario de la miniaturización de la tecnología informática, mientras que sólo hemos visto la primera etapa de lo que podría ser el resultado de la miniaturización de las máquinas. En términos de desarrollo, el motor molecular es más o menos esta al mismo nivel que el motor eléctrico en la década de 1830, cuando los investigadores orgullosos mostraron varias manivelas giratorias y ruedas en sus laboratorios sin tener idea que conducirían a las lavadoras, ventiladores y procesadores de alimentos.

Así que, 32 años después de la conferencia visionaria de Feynman, queda todavía imaginar los acontecimientos emocionantes que están por delante de nosotros. Sin embargo, nosotros tenemos una respuesta definitiva a su pregunta inicial: ¿qué tan pequeña puede ser una máquina? Al menos 1,000 veces más delgada que un cabello.

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