Hacia el desarrollo de máquinas nanométricas

El uso de motores de todo tipo -eléctricos, de gas, de vapor, de combustión interna- ha detonado grandes avances industriales y transformado nuestra vida cotidiana en todos los aspectos: desde la refrigeración de alimentos en casa hasta los sistemas de transporte terrestre o los vehículos espaciales.

Por ello, resulta difícil imaginar el impacto que tendría el empleo de diminutos motores moleculares a escala microscópica con movimiento rotatorio capaces de replicar las funciones de los que ahora son comunes en los automóviles, los elevadores, los compresores de aire o los sistemas de aire acondicionado.

Parece ciencia ficción, pero el desarrollo de máquinas moleculares de dimensiones nanométricas (a escalas que se miden en millonésimas de milímetro) es una realidad, como lo muestra el trabajo de los investigadores Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart y Bernard Feringa.

Los tres científicos mencionados compartieron el Premio Nobel de Química 2016 precisamente por haber diseñado y producido distintos tipos de máquinas moleculares, es decir, moléculas con movimientos que pueden controlarse y desempeñar un trabajo cuando se les añade energía.

En México, el equipo que encabeza el investigador Braulio Rodríguez-Molina, del Instituto de Química (IQ) de la UNAM, también ha realizado notables aportaciones en este campo, mismas que recientemente fueron destacadas en un artículo científico publicado por Fraser Stoddart en la revista especializada Trends in chemistry.

En ese artículo, el científico escocés ganador del Nobel de Química hace alusión a la importancia que tiene una clase de cristales (anfidinámicos) con los que trabajan Rodríguez-Molina y sus colaboradores en el diseño de máquinas moleculares con un gran potencial para desarrollar materiales inteligentes.

Los cristales anfidinámicos poseen distintos componentes móviles (rotores) que pueden ensamblarse con otras piezas para hacer motores nanométricos. El equipo del investigador mexicano del Departamento de Química Orgánica del IQ ha estudiado en particular un efecto observado en esas estructuras cristalinas.

Cristales anfidinámicos.

Este tipo de cristales conjuntan una estructura ordenada con movimientos internos ultrarrápidos. Como en el caso de los motores eléctricos de un auto, poseen un diminuto componente (rotor) que gira a gran velocidad ligado a una estructura marco (estator) a través de uniones covalentes o de interacciones entre moléculas.

Se trata del efecto termosaliente o salto de cristal, que se observa cuando los cristales experimentan una transición de fase, esto es, un cambio en el acomodo espacial de las moléculas en el sólido. Este fenómeno fue descubierto por expertos del Laboratorio de Investigación Científica de la compañía 3M en 1983.

"Los sólidos con este fenómeno se estudian desde hace más de 20 años; la motivación original era la curiosidad científica por entender cuáles son las reglas que rigen su comportamiento; sin embargo, desde hace unos diez años comenzaron a verse algunas de sus posibles aplicaciones", señala en entrevista Rodríguez-Molina.

Como palomitas de maíz

El académico universitario explica que el efecto de salto fue detectado debido a las pequeñas explosiones que se producen en los granitos de cristal -los cuales tienen una apariencia similar a los de la sal común- cuando son calentados y explotan como palomitas de maíz.

"La energía liberada en este proceso no es mucha, pero sí hace que el objeto se mueva. Nosotros no describimos este fenómeno por primera vez, pero encontramos que además del cambio macroscópico que se ve a simple vista, a nivel interno las moléculas también giran en forma distinta", resume el investigador.

Rodríguez-Molina y sus colaboradores demostraron que a nivel molecular, los fragmentos que integran al cristal también se están moviendo como un motor diminuto.

Salto de cristales
El efecto termosaliente, también conocido como “salto del cristal” es un movimiento observado en este tipo de estructuras debido a la liberación de tensión que ocurre cuando son sometidas a una transición de fase, es decir, a un cambio en el acomodo espacial de las moléculas en el sólido originado por variaciones de temperatura.

Los resultados de este trabajo, cuyo primer autor fue Abraham Colín-Molina, uno de los estudiantes del doctor Rodríguez-Molina en el IQ, fueron publicados en la revista científica Matter.

Con este trabajo, afirma Rodríguez-Molina, demostramos que las moléculas se mueven, cuáles lo hacen, cuáles se mantienen estáticas y cómo se transduce la energía térmica en energía mecánica. En el futuro, este conocimiento podría aprovecharse en un amplio abanico de aplicaciones.

¿De qué forma? En el artículo mencionado, que escribió en coautoría con el investigador Indranil Roy, de la Universidad Northwestern en Illinoios, EU, Fraser Stoddart comenta que hasta ahora, los científicos se han enfocado sólo al estudio de la dinámica interna de las moléculas.

En su investigación, Rodríguez-Molina proporciona una plataforma para en el futuro sacar provecho, en la escala del mundo visible, a los billones de operaciones que de manera conjunta realizan esas máquinas moleculares.

Así, el movimiento colectivo de esos arreglos de motores diminutos podría utilizarse para desplazar objetos o realizar otros trabajos a escala macroscópica.

Según el académico del IQ, estos compuestos funcionan con lo más sencillo: un cambio de energía térmica. "el calor o frío hace que se muevan o dejen de mover y lo que es más interesante, el ciclo puede repetirse muchas veces; al calentar los cristales saltan; luego al enfriarse regresan a su estado inicial y así sucesivamente". 

Rodríguez Molina y sus colaboradores también observaron que ese movimiento cíclico se hacía evidente al aumentar el tamaño de los cristales.

"Quizás en microcristales sea muy difícil verlo, pero en cristales como los que diseñamos y obtuvimos fue más fácil ver cómo saltan", recuerda Rodríguez-Molina.

"Observamos un movimiento molecular que se traduce colectivamente en movimiento macroscópico. Si a este lo acoplamos con otros movimientos obtendríamos una máquina compleja que tendría múltiples aplicaciones.", agrega el experto del IQ.

En esa transferencia de movimiento del mundo micro al macro puede fincarse el funcionamiento de dispositivos como actuadores, músculos artificiales para robots, switches o sensores capaces de responder ante diversos estímulos ambientales (condiciones de luz, cambios de temperatura, variaciones de corriente eléctrica).

"Todavía estamos dando los primeros pasos en el entendimiento de esto; hay muchos tipos de movimiento que pueden generar estos efectos, pero a partir de esto, podemos buscar aplicaciones", concluye Rodríguez-Molina, quien expondrá estos avances el próximo 7 de octubre en el Simposio Internacional de Química y Materiales.