Nano máquinas: ciencia sin ficción

Braulio Rodríguez Molina diseña y sintetiza máquinas moleculares cristalinas que emiten luz como una luciérnaga, pero de diferentes colores.

Otro tipo de nano máquinas desarrolladas por el investigador de la UNAM, son los actuadores o estructuras moleculares que se contraen y expanden como músculos artificiales y que saltan como palomitas de maíz.

El Instituto de Química cuenta ya con colecciones de ambos tipos de compuestos cristalinos que en un futuro podrían implementarse en materiales para el desarrollo de novedosos dispositivos tecnológicos.

El Nobel por las nano máquinas

Los pioneros en el desarrollo de nano-máquinas similares son el francés Jean-Pierre Sauvage, el escocés James Fraser Stoddart y el neerlandés Bernard Lucas Feringa, quienes por esa aportación recibieron el Premio Nobel de Química 2016.
Los modelos de máquinas moleculares que éstos químicos desarrollaron realizaban entonces funciones sencillas, similares, por ejemplo, a la de una palanca que usa un movimiento simple.

Controlar el movimiento de las moléculas, y que simplemente se muevan más rápido o más lento, fue todo un reto, muy difícil, dice el doctor Rodríguez Molina.

Ellos: Sauvenge, Stoddart y Feringa, sentaron, cada quien por su lado, las bases para que las moléculas se asociaran de forma novedosa para desempeñar funciones sencillas, pero semejantes a las máquinas del mundo macroscópico.

Máquinas naturales

La naturaleza, a través de millones de años de evolución, ha creado nano máquinas naturales más complejas que las máquinas moleculares desarrolladas por los Nobel de Química 2016.

Las proteínas, por ejemplo, se mueven, se doblan, se pliegan, para realizar sus funciones enzimáticas, dice el investigador del IQ-UNAM.

En el mundo, varios grupos científicos trabajan para lograr, en una escala de tiempo mucho menor, máquinas artificiales con movimientos más complejos que las primeras nano máquinas de Sauvage, Stoddart y Feringa, pero mas sencillos que las máquinas naturales.

Químicos, físicos, ingenieros… “hay mucha tela de donde cortar”, unos se dedican al diseño de compuestos, otros a la aplicación, unos más al “diseño” del funcionamiento de máquinas moleculares.

Ciencia sin ficción

Las nano máquinas son moléculas separadas que en un medio propicio empiezan a enlazarse para formar nuevos arreglos moleculares con funcionamiento novedoso.

Hay grupos de investigación que diseña y sintetizan arreglos moleculares para que funcionen en líquidos: en agua u otros disolventes estas estructuras en conjunto empiezan a trazar movimientos predeterminados.

Que los arreglos moleculares hagan lo mismo (traslaciones, o que se contraigan y se expandan) en el estado sólido, es decir, en los cristales que forman, ha sido un gran desafío, “extremadamente difícil” para el grupo del IQ-UNAM.

En el laboratorio hay desafíos importantes en términos de reacciones y éxitos en los pasos. “A veces tenemos que reajustar nuestros diseños para que sean lo más funcional que se pueda alcanzar”.

Las máquinas moleculares se prueban como se prueba un automóvil: si corre, que tan rápido lo hace, si se sobrecalienta, si es estable, si no se desarma en el trayecto.

Como a simple vista no se ven estas nano máquinas, el grupo de Rodríguez Molina verifica su funcionamiento mediante técnicas sofisticadas: resonancia magnética nuclear de sólidos, rayos X y otras espectroscopias.

Checa el funcionamiento de los arreglos moleculares: que no se rompan después de varios ciclos, cuánta temperatura resisten, que sean estables —por ejemplo— a la humedad, al calor y al frío.

Y trata, sobre todo, de identificar donde hay una oportunidad de mejora: no sólo que haya rotación, sino también movimientos colectivos y que esta función con la otra permanezcan “en muchos ciclos”.

El propósito, señala el químico de la UNAM, es que dichos movimientos se sumen y se tenga una función macroscópica, que el cristal haga algo distinto y lo pueda ver el ojo humano.

Ésta, agrega, no es una idea sacada de un libro de ciencia ficción, ya existe en la naturaleza. Por ejemplo, caminar es posible por la contracción y expansión de las fibras diminutas que forman a los músculos de las extremidades inferiores.

Materiales en desarrollo

Hay investigadores, como los del IQ-UNAM, que tratan de controlar a las moléculas para que, en arreglos moleculares y de manera colectiva, tengan una función más compleja, similar a las aspas de un helicóptero y a la de un trascabo para mover peso

—Cual es el estado del arte en nano máquinas, que se ha hecho?
Ya se han desarrollado polímeros, con este tipo de arreglos moleculares inmersos, que empiezan a tener “una respuesta quirúrgicamente pensada” como es doblarse, voltearse, cambiar de color, etcétera.

Otros materiales en desarrollo, que pueden ser o no polímeros, son de estímulo-respuesta y tienen funciones básicas como contracción y expansión y cambios de color.

Son materiales que responden al tacto, a la temperatura, a la humedad. Y podrían ser útiles , por ejemplo, en interruptores, contactos eléctricos y mecánicos, filtros de óptica y usarse en futuros dispositivos opto-electrónicos como pantallas de celulares.

Dos colecciones

Rodríguez Molina y colaboradores han desarrollado dos grupos de moléculas que se puede englobar en compuestos estímulo-respuesta. Una son moléculas emisivas; las otras son de “robótica suave”.

Las primeras podrían usarse en OLEDs que, como una luciérnaga (“foquito de luces azules”), a la vez que emiten luz, están en movimiento. Las rotaciones o las oscilaciones diseñadas permiten pensar en el control de la emisión de luz de diferentes colores.

Como dentro de tales nano máquinas o cristales hay movilidad de las moléculas, al ser sometidas a calor o frío, pueden cambiar ese azul a diferentes colores (rojo, verde…)

Los otros arreglos moleculares son actuadores que se contraen y expanden, desarrollos para usarse en el campo llamado genéricamente “robótica suave”, dice el investigador universitario.

Que se contraigan y expandan las moléculas para controlar su movilidad es el principio de la robótica suave, es decir, de los actuadores, que al calentarse “explotan como palomitas de maíz”

Entender como el movimiento se puede asociar y usar colectivamente puede servir paras desarrollar músculos sintéticos. Los actuadores también pueden ser utilizados en dispositivos tecnológicos de otra naturaleza (plásticos suaves, controlables, etcétera).

El IQ-UNAM, señala Rodríguez Molina, cuenta con colecciones de estos dos tipos de máquinas o cristales que en un futuro podrían implementarse en algún dispositivo.

 

Futuro prometedor

—¿Cuando podría haber ya una aplicación tecnológica?
Nuestro quehacer cotidiano es ciencia básica: formular y generar nuevas sustancias. La aplicación seguro vendrá después. “Es complicado decir que día, pero lo veo próximo”.

“El futuro de este tipo de nano máquinas es extremadamente prometedor”. Quizá en unos años se empiecen a emplear masivamente los primeros desarrollos tecnológicos: textiles inteligentes, plásticos más inteligentes, materiales que puedan controlarse por el movimiento molecular.