jueves, 25 de noviembre de 2010

Cómo crear un nano-rotor molecular autoensamblado que funcione.



Un grupo de investigadores dirigidos por Johannes Barth, de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), se las ha ingeniado para que moléculas lineales se autoensamblen para formar rotores que giran de forma controlada en las celdillas de una red bidimensional con forma de panal. Todo ello de unos pocos nanómetros de tamaño y visualizado por microscopía de efecto túnel. Los resultados se publican en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

La naturaleza brinda el modelo para estos sistemas autoorganizados. Es la forma de actuar de las enzimas cuando aproximan reactivos de tal forma que puedan tener lugar las reacciones, reacciones que sólo pueden tener lugar cuando las moléculas están muy cerca. Los catalizadores actúan también de esta manera: los reactivos se encuentran en la superficie de estos facilitadores. Sin embargo, el sueño de usar la autoorganización de tal manera que las nanomáquinas se ensamblen ellas mismas es aún un futurible. Los rotores del equipo de Barth son un paso importante en esta dirección.


Los investigadores crearon en primer lugar una estructura bidimensional, para ser precisos una capa de un sólo átomo de grosor (similar al grafeno), haciendo reaccionar átomos de cobalto con moléculas lineales de sexifenil-dicarbonitrilo [el prefijo sexi (6) indica que el fenilo se repite linealmente, si estuviesa ramificado o los fenilos no estuviesen unidos entre sí, se usaría hexa; es la misma diferencia que existe entre bifenil y difenil] sobre una superficie de plata. El resultado es una trama parecida a un panal de extrema regularidad y llamativa estabilidad [véase la imagen a la derecha].

Cuando los investigadores añadieron más reactivos, las moléculas lineales se agregaron espontáneamente, típicamente en grupos de tres, en una celdilla, quedando las celdillas de alrededor vacías. ¿Por qué en grupos de tres? Los investigadores usaron un microscopio de efecto túnel para averiguarlo. Las tres moléculas se orientaban de tal manera que su nitrógeno final se encontrara frente a un hidrógeno de un anillo fenilo. Esta configuración de rotor de tres palas es tan ventajosa energéticamente que incluso cuando un aumento de la temperatura hace que empiece a girar la siguen manteniendo.

Como la celdilla no es circular sino hexagonal, existen dos disposiciones diferentes para los rotores que pueden distinguirse como consecuencia de las interacciones entre los nitrógenos externos y los átomos de hidrógeno de la pared de la celdilla. Además, las tres moléculas pueden tener una configuración horaria (en el sentido de las agujas del reloj) o antihoraria. El equipo de investigadores fue capaz de “congelar” los cuatro estados y examinar con detalle sus características. De esta manera pudieron determinar a qué temperatura umbral comienza a rotar cada configuración.

El potencial de estas estructuras autoorganizadas es enorme. Puede extenderse a interruptores ópticos o electrónicos, por ejemplo. Se puede establecer un tamaño de celdilla e introducir otras moléculas y ver cómo interactúan con la superficie base y las paredes y abrir, de esta forma, todo un nanomundo para explorar.

Esta entrada partcipa en la XIII edición del Carnaval de la Física, que este mes organiza Gravedad cero.

Referencia:

Kuhne, D., Klappenberger, F., Krenner, W., Klyatskaya, S., Ruben, M., & Barth, J. (2010). Rotational and constitutional dynamics of caged supramolecules Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1008991107