Los motores moleculares son máquinas moleculares capaces de girar cuando se les aplica energía. Tradicionalmente, el término "motor molecular" se utiliza cuando se trata de compuestos proteicos orgánicos , pero en la actualidad también se utiliza para referirse a motores moleculares inorgánicos [1] y se utiliza como concepto general. La posibilidad de crear motores moleculares fue expresada por primera vez por Richard Feynman en 1959 .
La principal característica de los rotores moleculares son los movimientos de rotación unidireccionales repetitivos que se producen cuando se aplica energía. En el futuro, esta dirección se desarrolló debido a dos informes científicos publicados en 1999 , que describen la naturaleza de los rotores moleculares. Sin embargo, los informes no indicaron las razones por las cuales las moléculas pudieron generar torque. Se espera que en un futuro cercano se lleve a cabo una cantidad significativa de investigación en esta área y se comprenda la química y la física de los rotores a nanoescala.
Por primera vez, Ross Kelly informó sobre la creación de un motor de rotación molecular en su trabajo en 1999 [2] . Su sistema constaba de tres rotores trípticos y una parte de quelicina y era capaz de realizar rotaciones unidireccionales en un plano de 120°.
La rotación se lleva a cabo en 5 etapas. Primero, el grupo amina en la porción de tripticina de la molécula se convierte en un grupo isocianuro por la condensación de moléculas de fosgeno (a). La rotación alrededor del eje central se lleva a cabo debido al paso del grupo isociano muy cerca del grupo hidroxilo ubicado en la parte helicina de la molécula (b), por lo que estos dos grupos reaccionan entre sí (c). Esta reacción crea una trampa para el grupo uretano , que aumenta su tensión y asegura el inicio del movimiento de rotación con un nivel suficiente de energía térmica entrante. Después de poner en movimiento el rotor molecular, solo se requiere una pequeña cantidad de energía para llevar a cabo el ciclo de rotación (d). Finalmente, la escisión del grupo uretano restaura el grupo amina y proporciona mayor funcionalidad a la molécula (e).
El resultado de esta reacción es una rotación unidireccional de 120° del resto tripticina con respecto al resto quelicina . La parte de quelicina de la molécula previene el movimiento hacia adelante adicional , que desempeña un papel similar al de un trinquete en el mecanismo de un reloj. El movimiento unidireccional es el resultado de la asimetría del resto quelicina así como de la aparición del grupo uretano (c). La rotación solo se puede realizar en el sentido de las agujas del reloj, se requiere mucha más energía para realizar el proceso de rotación en el otro sentido (d).
El motor Kelly es un ejemplo perfecto de cómo se puede usar la energía química para crear un movimiento de rotación unidireccional, un proceso que recuerda el consumo de ATP (ácido trifosfórico de adenosina) en los organismos vivos. Sin embargo, este modelo no está exento de serios inconvenientes: la secuencia de eventos que lleva a una rotación de 120° no se repite. Por lo tanto, Ross Kelly y sus colegas buscaron varias formas de garantizar que esta secuencia se repitiera muchas veces. Los intentos de lograr el objetivo no tuvieron éxito y el proyecto se cerró [3] .
En 1999 se recibió un informe del laboratorio del Dr. Ben Feringa en la Universidad de Groningen ( Holanda ) sobre la creación de un rotor molecular unidireccional [4] . Su motor molecular de 360° consiste en bischelicina unida por un enlace axial doble y que tiene dos estereocentros.
Un ciclo de rotación unidireccional tiene 4 etapas. En el primer paso, la baja temperatura provoca una reacción endotérmica en el isómero trans (P, P) convirtiéndolo en el isómero cis (M, M), donde P es una hélice dextrógira y M es una hélice dextrógira (1 , 2). En este proceso, dos grupos metilo axiales se convierten en ecuatoriales.
Al elevar la temperatura a 20 °C , los grupos metilo se vuelven a convertir en grupos cis-axiales exotérmicos (P, P) (3). Dado que los isómeros axiales son más estables que los isómeros ecuatoriales , el proceso de rotación inversa no es posible. La fotoisomerización convierte el isómero cis (P, P) en el isómero trans (M, M), nuevamente con la formación de grupos melilo ecuatoriales (3, 4). El proceso térmico de isomerización a 60 °C cierra 360° del ciclo de rotación con relación a la posición original.
Un serio obstáculo para la implementación de esta reacción es la baja velocidad de rotación, que ni siquiera es comparable a los rotores moleculares biológicos existentes en la naturaleza. En los sistemas actuales más rápidos con grupos flúor, la mitad de la inversión térmica de la hélice de la molécula se realiza en 0,005 segundos [5] . Este proceso se lleva a cabo utilizando la reacción de Barton-Kellogg. Se cree que el paso de rotación lenta se acelera en gran medida por más grupos terc-butilo , lo que hace que el isómero sea aún menos estable que los grupos metilo . Dado que aumenta la inestabilidad de los isómeros , se acelera la inversión de la hélice de la molécula.
Los principios de funcionamiento del rotor molecular de Feringa se incluyeron en el prototipo del nanorobot [6] . El prototipo tiene motores de helicina sintética con un oligo-chasis y 4 ruedas de carbono [ término desconocido ] y se espera que pueda conducir en tierra firme bajo el control de un microscopio de efecto túnel . Sin embargo, hasta ahora el motor no funciona a base de ruedas de fullereno , porque reducen la reacción fotoquímica de las partes del rotor.
Por analogía con un motor eléctrico tradicional, los motores moleculares a nanoescala pueden ponerse en marcha mediante túneles de electrones resonantes o no resonantes [7] . Máquinas rotativas a nanoescala basadas en estos principios fueron desarrolladas por Petr Kral y sus colaboradores en la Universidad de Illiois en Chicago [8] .
Como se muestra en el lado derecho de la figura, un tipo de motor tiene un eje formado por nanotubos de carbono que se pueden montar en cojinetes CNT. El motor tiene tres (seis) palas formadas a base de hielo polimerizado. Las palas están orientadas en un ángulo de 120° (60°) entre sí y tienen una longitud de 2 nm para evitar la tunelización no resonante de electrones desde las palas hasta el eje. La energía se suministra al sistema a través de la transferencia de un electrón a lo largo de las palas mediante un efecto túnel resonante. Las hojas forman moléculas conjugadas con fullerenos unidos covalentemente en la parte superior de las hojas. En principio, tales rotores moleculares híbridos se pueden sintetizar en reacciones de cicloadición.
En un campo electrostático uniforme E , orientado a lo largo de la dirección vertical, se utilizan cargas y descargas periódicas del álabe del motor tunelizando electrones desde dos electrodos metálicos neutros. Cada cambio de fullereno cambia el signo de la carga con la ayuda de dos electrones de positivo (+ q ) a negativo (− q ) a través de un túnel entre el electrodo neutro y el fullereno. Para hacer girar el álabe del motor, el electrodo pierde dos electrones (como resultado de lo cual cambia la carga), y el álabe realiza medio ciclo de rotación en el campo eléctrico E . La otra mitad del ciclo de rotación es similar (solo el electrodo recibe dos electrones). Así hay una rotación continua de tres (seis) aspas con fullerenos. El motor molecular impulsa su dipolo P , que está en el medio ortogonal [ término desconocido ] hacia el campo eléctrico E , generando un par constante.
La eficiencia del método de tunelización de electrones es comparable a la de un motor eléctrico macroscópico, pero puede reducirse debido al ruido y los defectos estructurales.
| Motores biológicos | |
|---|---|
| proteínas motoras | |
| Ver también: motores moleculares | |