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Friday, January 20, 2017

Weekly Tip INAMAT: Diseño y fabricación de máquinas moleculares

Por Jesús Echeverría - El premio Nobel de química en 2016 fue concedido a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa

Imagine un ascensor nanométrico con un recorrido controlado de 0,7 nm, o un motor molecular que gira a 12 millones de revoluciones por segundo, o una caja de nano-herramientas a disposición de los investigadores con estructuras químicas para fabricar conmutadores moleculares, transistores y motores. Estos avances han sido las credenciales de Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa para merecer el premio Nobel de Química en 2016, por el diseño y fabricación de máquinas moleculares.

Una máquina molecular es un dispositivo que integra componentes de dimensiones nanométricas y que puede realizar desplazamientos mecánicos en respuesta a estímulos externos. Estos dispositivos transforman energía lumínica o electroquímica en un movimiento repetitivo controlado.

El diseño y la síntesis de los componentes fueron un gran reto científico. Para que una máquina realice una tarea, el movimiento relativo de rotación y translación de los componentes debe ser controlado de manera precisa a escala atómica. Además, mientras los enlaces entre deben ser suficientemente estables para aguantar las fluctuaciones térmicas y el movimiento Browniano de las moléculas, no deben ser demasiado rígidos para permitir el desplazamiento relativo de grupos de átomos. Los enlaces covalentes unen los átomos de los componentes, pero el funcionamiento de estos dispositivos depende de otros tipos de enlace como los puentes de hidrógeno, la formación de complejos o interacciones de Culomb.

La síntesis de “catenanos” y “rotaxanos” fue determinante en la construcción de máquinas moleculares. El término “catenano” deriva del término latino “catena”, cadena en castellano. Son compuestos que enlazan componentes cíclicos para formar eslabones. El término “Rotaxano” procede de los términos latinos “rota” (rueda) y “axis” (eje), describe moléculas formadas por un macrociclo alrededor de un eje con dos grupos moleculares en los extremos para impedir que se disocie el macrociclo. Los pioneros en la síntesis de catenanos y rotaxanos fueron G. Schill y E. Wasserman que publicaron los resultados de sus investigaciones entre 1950 y 1960. Sin embargo, fue un campo de investigación latente por la complejidad de los procedimientos y los bajos rendimientos obtenidos.

En 1983 J.P. Sauvage y C. Dietrich-Buchecker desarrollaron una ruta sintética basada en complejos de coordinación de Cu(I) con fenantrolina. Los iones Cu(I) determinan ángulos diédricos y facilitan la inserción de grupos moleculares curvados capaces de formar ciclos (Esquema 1). 

Esquema 1. Esquema de la estrategia seguida por Jean-Pierre Sauvage y colaboradores para la síntesis de “catenanos” o compuestos químicos que forman cadenas (Adaptado del informe de prensa publicado por la Real Academia Sueca de las Ciencias, 2016).

F. Stoddart y sus colaboradores publicaron en 1991 la síntesis de rotaxanos formados por un eje con grupos funcionales con carga parcial negativa y un ciclo con densidad de carga positiva (Esquema 2). El movimiento del anillo a entre los centros de carga parcial negativa puede controlarse con cambios de pH o del potencial redox del medio.

Esquema 2. El anillo molecular se desplaza de forma controlada por el eje cuando cambia el pH o el potencial redox del medio (Adaptado del informe de prensa publicado por la Real Academia Sueca de las Ciencias, 2016).

En 1999, B.L. Feringa describió el primer motor molecular. La estructura incorpora dos conjuntos de anillos aromáticos unidos por un doble enlace. Los grupos aromáticos tienen estructura plana y funcionan como álabes del motor. Un grupo metilo enlazado a cada grupo aromático permite controlar la dirección de giro. Cuando incide un pulso de luz, el doble enlace se descompone y los grupos aromáticos giran 180 º para formar un estado intermedio. Cuando vuelve a incidir un nuevo pulso de luz, la molécula vuelve a girar otros 180 º y recupera la posición inicial (Esquema 3). 

Esquema 3. Esquema del fundamento del primer motor molecular sintetizado por B. Feringa y colaboradores. Este investigador han desarrollado un motor optimizado capaz de girar a 12 millones de revoluciones por segundo (Adaptado del informe de prensa publicado por la Real Academia Sueca de las Ciencias, 2016).

Los motores moleculares están en un estado embrionario, si se comparan el grado de desarrollo de los motores eléctricos que siguieron a la revolución industrial. Sin embargo, estos motores abren un mundo nuevo de aplicaciones de la nanotecnología. En palabras del Nobel B.L. Feringa, “imaginemos lo inimaginable”.

Referencias

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/popular-chemistryprize2016.pdf

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/advanced-chemistryprize2016.pdf

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/sauvage-lecture.html

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/stoddart-lecture.html

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/feringa-lecture.html



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