Nanocarro

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El nanocarro o nanocoche es una molécula diseñada en 2005 en la Universidad de Rice por un grupo dirigido por el profesor James Tour. A pesar del nombre, el nanocarro original no contiene un motor molecular, por lo que no es realmente un coche. Más bien se diseñó para responder a la pregunta de cómo se mueven los fullerenos sobre superficies metálicas; concretamente, si ruedan o se deslizan (ruedan).

La molécula consiste en un «chasis» en forma de H con grupos de fullerenos unidos en las cuatro esquinas para que actúen como ruedas.

Al dispersarse en una superficie de oro, las moléculas se adhieren a la superficie a través de sus grupos de fullereno y se detectan mediante microscopía de barrido en túnel. Se puede deducir su orientación, ya que la longitud de la trama es algo menor que su anchura.

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Estructura del nanocarro o nanocoche

Al calentar la superficie a 200 °C, las moléculas avanzan y retroceden al rodar sobre sus «ruedas» de fullereno. El nanocoche puede rodar porque la rueda de fullereno está unida al «eje» del alquino mediante un enlace simple carbono-carbono. El hidrógeno del carbono vecino no es un gran obstáculo para la rotación libre. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, los cuatro enlaces carbono-carbono giran y el coche rueda. De vez en cuando, la dirección del movimiento cambia al pivotar la molécula. El profesor Kevin Kelly, también de Rice, confirmó la acción de rodadura tirando de la molécula con la punta del STM.

Primeros conceptos

El concepto de un nanocoche construido a partir de «tinkertoys» moleculares se planteó por primera vez en la Quinta Conferencia de Prospectiva sobre Nanotecnología Molecular (noviembre de 1997).

Posteriormente, se publicó una versión ampliada en Annals of Improbable Research. Se suponía que estos artículos eran una contribución no muy seria a un debate fundamental sobre los límites de la nanotecnología drexleriana ascendente y los límites conceptuales de hasta dónde podían llevarse a cabo las analogías mecanicistas avanzadas por Eric Drexler.

La característica importante de este concepto de nanocarro era el hecho de que todos los componentes moleculares eran moléculas conocidas y sintetizadas (por desgracia, algunas muy exóticas y descubiertas recientemente, por ejemplo, los staffanes, y en particular, la rueda férrica, 1995), en contraste con algunas estructuras diamondoides drexlerianas que sólo se postularon y nunca se sintetizaron; y el sistema de propulsión que estaba incrustado en una rueda férrica y era impulsado por el campo magnético no homogéneo o dependiente del tiempo de un sustrato: un concepto de «motor en una rueda».

Nanodragster

El Nanodragster, apodado el bólido más pequeño del mundo, es un nanocoche molecular cuyo diseño mejora los anteriores y supone un paso adelante en la creación de máquinas moleculares. El nombre proviene del parecido del nanocarro con un dragster, ya que su montaje de ruedas escalonado tiene un eje más corto con ruedas más pequeñas en la parte delantera y un eje más grande con ruedas más grandes en la parte trasera.

El nanocoche fue desarrollado en el Instituto de Ciencia y Tecnología a Nanoescala Richard E. Smalley de la Universidad de Rice por el equipo de James Tour, Kevin Kelly y otros colegas que participaron en su investigación. El anterior nanocoche desarrollado tenía entre 3 y 4 nanómetros, es decir, un poco más del diámetro de una hebra de ADN y era unas 20.000 veces más fino que un cabello humano.

Estructura química del nanodragster. Las ruedas más pequeñas so
Estructura química del nanodragster. Las ruedas más pequeñas son de p-carborano con grupos metilo y las más grandes de fullereno C60

Estos nanocoches se construyeron con buckyballs de carbono como sus cuatro ruedas, y la superficie sobre la que se colocaron requería una temperatura de 400 °F (200 °C) para que se moviera. Por otro lado, un nanocoche que utilizaba ruedas de p-carborano se mueve como si se deslizara sobre el hielo, en lugar de rodar. Estas observaciones llevaron a la producción de nanocoches que tenían ambos diseños de ruedas.

El nanodragster es 50.000 veces más fino que un cabello humano y tiene una velocidad máxima de 0,014 milímetros por hora (0,0006 pulg./h o 3,89×10-9 m/s). Las ruedas traseras son moléculas esféricas de fullereno, o buckyballs, compuestas por sesenta átomos de carbono cada una, que son atraídas por una pista de arrastre formada por una finísima capa de oro. Este diseño también permitió al equipo de Tour hacer funcionar el dispositivo a temperaturas más bajas.

El nanodragster y otras nanomáquinas están pensadas para el transporte de objetos. La tecnología puede utilizarse en la fabricación de circuitos informáticos y componentes electrónicos, o en combinación con productos farmacéuticos dentro del cuerpo humano. Tour también especuló con que los conocimientos adquiridos gracias a la investigación sobre el nanocarro ayudarían a construir sistemas catalíticos eficientes en el futuro.

Movimiento direccional

Kudernac et al. describieron una molécula especialmente diseñada que tiene cuatro «ruedas» motorizadas. Depositando la molécula en una superficie de cobre y proporcionándoles la energía suficiente de los electrones de un microscopio de tunelización de barrido, consiguieron impulsar algunas de las moléculas en una dirección específica, de forma muy parecida a la de un coche, siendo la primera molécula individual capaz de seguir moviéndose en la misma dirección a través de una superficie.

La tunelización inelástica de electrones induce cambios de conformación en los rotores e impulsa la molécula a través de una superficie de cobre. Cambiando la dirección del movimiento rotatorio de las unidades motoras individuales, la estructura molecular autopropulsada de «cuatro ruedas» puede seguir trayectorias aleatorias o preferentemente lineales.

Este diseño proporciona un punto de partida para la exploración de sistemas mecánicos moleculares más sofisticados, quizás con un control completo de su dirección de movimiento. Este nanocarro accionado eléctricamente se construyó bajo la supervisión del químico de la Universidad de Groningen Bernard L. Feringa, que recibió el Premio Nobel de Química en 2016 por su trabajo pionero en nanomotores, junto con Jean-Pierre Sauvage y J. Fraser Stoddart.

Para más información Nanocar

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