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Construyendo máquinas con nanolegos moleculares: Premio Nobel de Química 2016

Autor
Categoría
Química
Tecnología
Ciencia
Fecha de Publicación
2016/10/07
Temas
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«El premio Nobel 2016 de química fue entregado por la Real Academia Sueca de Ciencias a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa, por el desarrollo de máquinas moleculares miles de veces más pequeñas que un cabello» [1-3].

Humanos, sacando ideas de la naturaleza desde siempre.

Los seres humanos muchas veces demostramos capacidades de desarrollo en ciertas disciplinas que alcanzan límites opuestos. Algunos compiten por construir cosas cada vez más grandes, como telescopios que nos permitan observar los cuerpos más lejanos. En otros casos, se obsesionan por desarrollar cosas tan pequeñas que ni siquiera podrían verse a simple vista, pero que son lo suficientemente poderosas para moverse autónomamente y lo suficientemente programables como para para cumplir funciones complejas.
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Qué elegancia, maestro. Acá la charla completa.
Y dentro de este marco es donde comenzó esta historia. En la década de 1950, un ganador del Nobel, el célebre Richard Feynman (<3), se hizo la siguiente pregunta: ¿qué tan pequeña puede ser una máquina? Él ya predecía que alguna vez se lograría el desarrollo de lo que hoy conocemos como nanotecnología. Pero su mente funcionaba más rápido que la tecnología de la época, por lo que tendrían que pasar un par de décadas antes de que su predicción se hiciera realidad.
En 1984, con los pies descalzos y luciendo un look UDI casual/uniforme talquino (polera polo rosada y unos shorts color beige), Feynman, durante una visionaria charla, miró a su audiencia y dijo: «Ahora les hablaré sobre la posibilidad de hacer máquinas con partes movibles, pero muy, muy pequeñas».
Sin hacer caso a sus colegas que lo consideraban chalado, él seguía convencido de que era posible construir verdaderas maquinarias, pero a una escala a nanométrica (hay que pensar que 1 nanómetro son 0,000000001 metros, es decir la milésima parte de la milésima parte de la milésima parte de un metro). Esta visión la tomaba de algo que sí conocíamos en la naturaleza: más de alguna vez le habrán contado o, si tiene suerte, habrá visto que existen organismos microscópicos que tienen funciones mecánicas complejas. Ejemplos hay varios. Una bacteria es un organismo unicelular capaz de mover sus flagelos para darle dirección a su desplazamiento, ya sea para buscar nutrientes o calor o para alejarse de ambientes hostiles para su desarrollo. Las larvas planctónicas son un poco más grandes. Incluso las fases microscópicas, estadios previos de muchos organismos marinos, son verdaderas máquinas: poseen sensores de temperatura, presión, salinidad y son capaces, por lo tanto, de percibir cambios en el ambiente, encontrar las condiciones propicias e incluso mantenerse en ciertos lugares a pesar de las corrientes. Es decir, esto existe en la naturaleza. Lo hemos visto, pero, ¿seremos capaces de recrearlo?, ¿Somos capaces de crear y controlar máquinas tan pequeñas que necesiten un microscopio muy potente para poder verlas?
(#SpoilerAlert: SÍ)
Lo primero que se debía resolver era cómo poder construir algo tan pequeño usando manos tan grandes. ¿Construyendo manos pequeñas, tan pequeñas como las nanomáquinas? Pero, ¿cómo construimos esas manos pequeñas? ¿Con otras manos pequeñas?
Otra opción era construirlas «desde abajo hacia arriba». Feyman veía, en su mente, la posible construcción a partir de diferentes sustancias. El silicio, por ejemplo, se pulveriza en una superficie un átomo tras otro. Luego, algunas capas son parcialmente disueltas y posteriormente removidas, lo que crea partes móviles que podrían ser controladas por una corriente eléctrica. Esta era la teoría para elaborar un pequeño obturador óptico para algo así como una micro cámara.
Lo que Feynman no sabía, ni los investigadores que escuchaban su charla, era que en ese momento el primer paso para las maquinarias moleculares ya había comenzado, aunque de una manera distinta a cómo él la imaginaba.

Moléculas a control remoto

A mediados del siglo XX, los esfuerzos estaban centrados en construir moléculas cada vez más avanzadas, capaces de producir cadenas moleculares en donde algunas moléculas con forma de anillo se pudieran unir entre sí (algo así como los anillos olímpicos). La persona que logró esto no sólo tenía en sus manos un nuevo tipo de molécula, sino un nuevo tipo de enlace químico. De las clases de química del colegio recordamos (?) que las moléculas normalmente se unen entre sí mediante enlaces covalentes, en donde los átomos comparten electrones. Entonces, el objetivo era crear un nuevo tipo de enlace mecánico, en donde las moléculas se vayan entrelazando sin que los átomos interactúen directamente.
Como muchos descubrimientos en investigación científica, la inspiración llegó desde un campo completamente distinto. El químico francés, Jean-Pierre Sauvage trabajaba en un campo llamado fotoquímica, en donde se desarrollan moléculas complejas que pueden capturar la energía de los rayos del sol y utilizarla para poder ejecutar reacciones químicas. Luego de construir uno de estos modelos, Sauvage se dio cuenta de que éste era muy similar a una cadena molecular, es decir, dos moléculas entrelazadas sobre un ion de cobre al centro.
Usando este principio, y luego de décadas de desarrollo, el mayor avance se produjo en 1983 (¡un año antes de la charla de Feynman!), cuando Sauvage y su equipo, usando estos iones de cobre, pudieron literalmente tomar control de las moléculas.
Utilizando un ion de cobre como «pegamento», lograron unir tres moléculas en forma de anillo. Al retirar el ion de cobre, las moléculas siguen unidas, pero con libertad de movimiento.
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Con la ayuda de este método revolucionario, Sauvage revitalizó la química topológica, en donde los investigadores (usando iones metálicos) son capaces de crear moléculas ligadas en estructuras cada vez más complejas, desde simples cadenas a verdaderos nudos moleculares.
Estos científicos lograron darse el lujo, casi solo por diversión, de crear sus propias versiones moleculares de un nudo de trébol (a), un nudo de salomón (b) y nudos borromeos (c). La pasan muy bien los químicos (nunca nos olvidaremos del primer capítulo de Breaking Bad, cuando Walter White hacía cambiar el color de las llamas ante una clase llena de adolescentes que lo ignoraban, sin respeto).
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Motores moleculares

Perfecto, somos capaces de controlar moléculas. Pero, ¿podemos ir más allá?
J. Francis Stoddart nació en Escocia en 1942. No tenía ni televisión ni menos un computador cuando era niño [4]. Ocupó todo ese tiempo libre que le quedaba en lo que cualquier niño hubiese hecho ante tales carencias (?): armar rompecabezas, reconocer formas y hacerlas calzar entre sí. Luego usó este talento para hacer lo que cualquier humano en su sano juicio haría: estudiar química (?). Y no erró el camino: todas estas habilidades lo convirtieron en un verdadero maestro molecular [5].
Stoddart logró, en 1991, insertar y mover un anillo a lo largo de un eje molecular delgado. El anillo se mantuvo en movimiento en este eje gracias a la acción de grupos de electrones complementarios que los mantenía unidos, pero con suficiente libertad como para que existiera movimiento [6].
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Movimento de A-Roxatanos
Cuando Stoddart agregó calor al sistema, excitó los electrones en varios puntos, cambiando así la dirección del movimiento del anillo molecular: esto sentó las bases para dispositivos como un ascensor molecular, que sube y baja 0.7 nanómetros [7-8] o un músculo molecular, que se expande y contrae, en el año 2005. Ambos usan esta moléculas, a las que llamaron A-Rotaxanos.
Pero el mayor avance llegó en 1999 de la mano del químico alemán Ben Feringa. Utilizando la idea de la energía añadida (mediante luz ultravioleta), su equipo y él lograron hacer girar continuamente dos moléculas, creando el primer motor molecular [9]. Este pequeño motor no era precisamente rápido, pero obvio que la idea fue optimizada. Ya en 2014, este tierno motorcito giraba a más de 12 MILLONES DE REVOLUCIONES POR SEGUNDO y podía hacer girar un lente de microscopio 10.000 veces más grande que el propio motor.
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Tenemos el motor. Vamos por el auto.

El año 2011, el mismo grupo de Feringa logró construir un nano-auto de 4 ruedas, con un chasis molecular unido a cuatro nanomotores que funcionaban como ruedas [10].
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Este es el Nanoauto de cuatro ruedas creado por Feringa. Para que se hagan una idea, piensen en un Chevrolet Spark, pero un poco más amplio.
Según Stoddart, la clave del trabajo con estas máquinas moleculares fue, como mencionamos previamente el desarrollo de un nuevo tipo de enlace molecular, una unión de tipo mecánica que permite la interacción entre componentes de una forma repetida y controlada. «Es un nuevo enlace en química. Revolucionario en este campo (...) Los químicos producen quizás miles de nuevos compuestos cada día y descubren una o dos nuevas reacciones cada semana. ¿Pero un nuevo enlace? Eso pasa una vez en cada luna azul. Este es un avance en la química fundamental», dijo humildemente Stoddart.

Muy lindos, pero, ¿cuál es o será su utilidad?

Cada vez que un nuevo descubrimiento de este tipo sale a la luz, se nos viene algo que en ciencia llamamos (?) «efecto Nemo», que puede ser usado en múltiples contextos. El efecto Nemo está basado en el final de la película Buscando a Nemo (no me digas), cuando los peces logran liberarse del acuario que los mantenía en cautiverio en bolsas individuales y por fin consiguen la libertad. Luego, todos se miran, aun dentro de sus bolsas, y se preguntan: ¿Y ahora? (Puede aplicarlo para cuando termina su tesis; hay otras acepciones que usan este mismo término referidas al estado de conservación de las especies de la película).
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El efecto Nemo es algo real. Piense en cuantas veces lo ha vivido.
Feringa hizo una comparación con el trabajo de los hermanos Wright. Una vez que lograron construir su máquina voladora, todos reaccionaron con alegría, pero no había claridad de su utilidad real. Y bueno, «hoy tenemos aviones Boeing 747», dice Feringa. Entonces, las posibles aplicaciones de estas nanomáquinas moleculares son ilimitadas: por ejemplo, robots capaces de «cazar» un cáncer mediante cámaras que pueden ser insertadas directamente en las venas para detectar y remover células defectuosas y tumores, pequeños dispositivos de almacenamiento de energía para computadoras o incluso un mini cortauñas para el senador Zaldívar.

Es cosa sólo de ponerse a pensar.

Han pasado 32 años desde esa visionaria charla del maestro Feynman (¡hasta la victoria!) y es difícil imaginarse lo que está por venir. Sin embargo, lo que sí podemos hacer es responder la pregunta que inició esta historia: ¿somos capaces de construir máquinas tan pequeñas que necesitas un microscopio para verlas? La respuesta es sí, estos genios lo lograron. Lograron crear máquinas al menos 1000 veces más pequeñas que la hebra de un cabello. Y bueno, les valió un Nobel [11]. El Nobel de Química 2016.

Referencias

[1] Updated: World's smallest gadgets bag Nobel chemistry prize. Disponible acá
[2] How molecules became machines. The Nobel Prize in Chemistry 2016. Disponible en: www.Nobelprize.org
[3] Nobel Prize in Chemistry honours Molecular Machines. Disponible acá
[4] Capecelatro, A.N. (2007) From Auld Reekie to the City of Angels, and all the Meccano in between: A Glimpse into the Life and Mind of Sir Fraser Stoddart. The UCLA USJ., 20,1-7.
[5] Stoddart, J.F. (2009) The Master of Chemical Topology. Chem. Soc. Rev., 38,1521-1529.
[6] A molecular shuttle, Pier Lucio Anelli, Neil Spencer, and J. Fraser Stoddart. Journal of the American Chemical Society 1991 113 (13), 5131-5133 DOI: 10.1021/ja00013a096 (http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00013a096)
[7] Badjić, J. D.; Balzani, V.; Credi, A.; Silvi, S.; Stoddart, J. F. A Molecular Elevator. Science 2004, 303 (5665), 1845–1849.
[8] Huang, T. J.; Brough, B.; Hoa, C.-M.; Liu, Y.; Flood, A. H.; Bonvallet, P. A.; Tseng, H.-R.; Stoddart, J. F.; Baller, M.; Magonov, S. A Nanomechanical Device Based on Linear Molecular Motors. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 5391–5193.
[9] Weber, L. and Feringa, B.L. (2009) “We Must be Able to Show How Science is Beneficial to Society.”, Chimia, 63 (6),352-356.
[10]Feringa, B.L. (2011)  Angew. Chem. Int. Ed., 50, 1470-1472.
[11]Peplow, M. (2015) The Tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps. Nature., 525, 18-21