- El micro motor utiliza corriente para hacer girar moléculas en hélice, amplificando la corriente hasta 100 veces.
- El dispositivo muestra rotación controlada por voltaje, con una preferencia direccional del 100%.
- La conductividad de las moléculas es óptima cuando están en reposo, y la rotación las lleva a su posición óptima.
- La investigación podría impulsar el desarrollo de componentes electrónicos moleculares y sistemas microfluídicos.
Inspiradas en antiguas bombas de agua, estas máquinas ahora pueden operar a escala molecular. Un grupo de investigadores internacionales ha construido un micro motor que utiliza corriente para hacer girar moléculas en forma de hélice, y este movimiento puede amplificar la corriente que las atraviesa hasta 100 veces. Este descubrimiento establece un nuevo método para acoplar el movimiento mecánico con la electricidad a una escala mínima, abriendo nuevas posibilidades para la electrónica molecular. Los científicos han pasado décadas intentando construir máquinas moleculares artificiales inspiradas en el movimiento interno de las células biológicas. Sin embargo, lograr que las moléculas giren de manera predecible bajo corriente, mientras se mantiene el contacto eléctrico con electrodos metálicos, sigue siendo un desafío.
Este nuevo dispositivo muestra rotación controlada por voltaje, con una preferencia direccional del 100%, utilizando un principio que data de hace más de 2000 años.
Principio de rotación controlada por voltaje
Fabian Pauli, uno de los autores de la investigación de la Universidad de Augsburgo en Alemania, comentó: "Hemos demostrado que la corriente puede utilizarse para generar rotación direccional, y esta rotación, a su vez, controla la corriente. Este es un nuevo principio operativo para máquinas en el límite de la miniaturización." Los investigadores se inspiraron en el diseño de la hélice de Arquímedes, un dispositivo antiguo con cuchillas en forma de hélice que puede elevar agua o sólidos al girar. En esta nueva máquina, los electrones que fluyen a través de una estructura similar generan el torque que provoca su rotación. Este movimiento ya no depende de herramientas mecánicas externas, sino que es impulsado por la corriente misma.
El componente central del motor es una molécula en forma de hélice funcionalizada con disulfuro de acetilo (13), sintetizada específicamente por el equipo de Michael Pitek de la Universidad de Copenhague. Esta molécula, que mide solo unos pocos nanómetros, puede adherirse a una superficie de oro a través de átomos de azufre. Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencia en Israel, liderados por Oren Tal y Anil Kumar Singh, conectaron una sola molécula entre dos puntas de oro extremadamente delgadas. Estos electrodos proporcionan un camino para que la corriente fluya a través de la molécula. Ajustando la distancia entre las puntas, el equipo puede estirar o comprimir la estructura molecular, cambiando el voltaje en el que comienza la amplificación de corriente.
Cuando los investigadores aplicaron voltaje, la molécula experimentó un movimiento cíclico con una clara preferencia direccional. Invertir la polaridad del voltaje también invirtió la dirección de rotación. Esto permitió al equipo controlar el movimiento del motor sin realizar operaciones físicas. Este movimiento es impulsado por fuerzas generadas por la corriente: a medida que los electrones pasan a través de la molécula en forma de hélice, transfieren momento angular a la molécula. La quiralidad de la molécula ayuda a determinar la dirección de rotación, de manera similar a como las roscas de un tornillo convencional determinan su dirección de avance. Los investigadores demostraron que al invertir la polaridad del voltaje se puede cambiar la dirección.
El sorprendente efecto de la conductividad molecular
Otros investigadores también han desarrollado máquinas moleculares a nanoescala basadas en ADN, aunque utilizan diferentes fuentes de energía para generar movimiento. Los autores de este estudio también observaron un sorprendente efecto eléctrico: una vez que la molécula comienza a moverse, la corriente puede aumentar drásticamente. Para entender la razón detrás de esto, realizaron simulaciones de mecánica cuántica en la supercomputadora LiCCA. Sus cálculos mostraron que la forma en que la molécula conduce electricidad varía drásticamente en diferentes ángulos de rotación. A medida que gira, puede acceder a configuraciones que permiten un flujo de electrones más fácil, lo que resulta en un aumento de la conductividad de hasta dos órdenes de magnitud, aproximadamente 100 veces.
Leon Martin, uno de los investigadores, comentó: "Es sorprendente que la mejor conductividad se logre en posiciones que la molécula evita cuando está en reposo. Solo la rotación puede hacer que estas posiciones sean accesibles." A continuación, los investigadores desarrollaron un modelo simplificado que reproduce la rotación observada y la amplificación de corriente. Sus cálculos también predicen que cuando el voltaje supera un cierto umbral, la molécula puede pasar de un movimiento gradual a una rotación continua. Estos cálculos son parte de un esfuerzo más amplio para entender por qué la simulación molecular sigue siendo un desafío. Uno de los autores de la investigación, Yuta Ito, señaló: "En los experimentos, solo puedes ver la corriente.
Nuestros cálculos nos permiten vislumbrar lo que ocurre dentro del contacto a nanoescala."
Potencial para aplicaciones futuras
Estos descubrimientos podrían ayudar a los investigadores a desarrollar componentes electrónicos moleculares, dispositivos de espín electrónico (que utilizan el espín de los electrones para procesar información) y sistemas de manipulación microfluídica. También ofrecen una forma de estudiar la interacción entre el movimiento mecánico y la transmisión eléctrica a escala molecular. Sin embargo, el dispositivo sigue siendo un prototipo de laboratorio basado en una sola molécula entre electrodos de oro, y su rendimiento en dispositivos prácticos aún no se ha establecido, lo que hace que las aplicaciones propuestas sean posibilidades en lugar de usos probados. Se necesita más investigación para determinar el comportamiento del motor bajo diferentes condiciones operativas y si este principio puede integrarse en tecnologías moleculares funcionales.
El estudio fue publicado en la revista Nature.
Elemento Especificaciones Molécula central Molécula en forma de hélice funcionalizada con disulfuro de acetilo Aumento de corriente Hasta 100 veces Control de dirección de rotación 100% de preferencia direccional
Impacto potencial de la tecnología de micro motores
Este estudio demuestra cómo lograr el acoplamiento entre el movimiento mecánico y la corriente a escala molecular, ofreciendo nuevas ideas para el avance de la electrónica molecular. A través del antiguo principio de la hélice de Arquímedes, los investigadores han logrado convertir corriente en movimiento rotacional y amplificar aún más la corriente, lo que tiene importantes implicaciones para el desarrollo futuro de componentes electrónicos y sistemas microfluídicos. Aunque actualmente se encuentra en la fase de prototipo de laboratorio, estos hallazgos allanan el camino para una mayor exploración de tecnologías moleculares funcionales, mostrando un amplio potencial de aplicación en el campo de la nanotecnología en el futuro.