Premio Nobel de Química 2016 – Máquinas moleculares, el sueño de Feynman

Hoy, día 5 de octubre de 2016, se ha concedido el premio Nobel de Química por los trabajos que han permitido dar un primer paso para la construcción, diseño y entendimiento de las máquinas a nivel molecular.  Los premiados son:

Como reconoce el premio, estos señores han hecho realidad la propuesta por parte de Richard Feynman sobre la construcción de máquinas que pudieran operar a escalas moleculares o atómicas.  Esta propuesta se realizó en 1956 en la conferencia titulada:  «Hay mucho sitio al fondo».

Plenty of room at the botom

Vamos a echar un vistazo rápido a lo que se ha premiado en esa ocasión.

¿Por qué hacer máquinas pequeñas?

La primera razón es porque podemos hacerlas. Luego hay otras menos importantes como la de entender los mecanismos moleculares que realizan trabajo en las células y para poder hacer diseños nanotecnológicos que sean útiles para nuestra industria, nuestra salud y nuestro modo de vida.

Una máquina incontrolable

Simplificando mucho, y con permiso de los que hacen cosas ingenieriles, una máquina es algo que es capaz de producir movimiento sobre un sistema o partes del mismo.  Si no te gusta esta definición deja la tuya en los comentarios.

El caso es que si te has embobado alguna vez con el aire de una habitación por la que pasan rayos de luz por las rendijas de una persiana habrás visto esto:

Las partículas de polvo, tan iluminaditas ellas, se mueven describiendo unas trayectorias erráticas.  Es tan bonito. Lo mejor de todo es que eso tiene un nombre, el movimiento Browninano, lo describió un tal Brown estudiando polen en suspensión.  Y fue explicado por Einstein en uno de los artículos de su año maravilloso.  Como no.

El caso es que ahora entendemos que el polvo se mueve así por las colisiones con las moléculas del gas del aire.  Estas se mueven en todas direcciones con variadas velocidades y por tanto producen colisiones que van cambiando la dirección de la partícula de polvo con la que interactúan.  Una visión idealizada sería:

¿Se mueve la partícula de polvo? Sí, se mueve.  ¿Está producido el movimiento por moléculas de gas?  En efecto.

Pues aquí tenemos una máquina molecular.  El problema es que no nos sirve para nada porque el movimiento no es controlable, así que quizás le debamos exigir a las máquinas que hagan un movimiento que podamos controlar.  Pero, la buena noticia es que es posible hacer máquinas a nivel atómico/molecular.  La tarea es cómo conseguirlas.

En realidad tampoco es una novedad, la naturaleza ha creado maquinarias que actúan como motores, como bombas de agua, como canales iónicos, etc. Así que no dejaremos que la naturaleza sea más lista que nosotros.

Rotaxanos y Catenanos

Vamos a empezar con los diseños más simples de máquinas moleculares que hacen movimientos controlados.

Rotaxanos

Un rotaxano, como su propio nombre indica, es una cosa que rota alrededor de un eje.  En realidad se compone de dos moléculas, una de ellas actuando como eje y otra, en forma de ciclo de nueve o más átomos, alrededor de la primera.  Un esquema sería:

Una visión más química resulta en:

Catenanos

Los catenanos son dos ciclos moleculares entrelazados.

No os lo vais a creer, pero en este tipo de configuraciones moleculares la topología también es importante.  El año 2016 se conocerá como el año en el que la topología propició los Nobel.

Fue Jean-Pierre Sauvage y sus colaboradores el que diseño rutas para la síntesis de estos compuestos por los años 80.    La idea es salvajemente simple y vamos a dar las pinceladas para la creación de catenanos.  Supongo que los blogs de química serán mucho más precisos así que buscáis por ahí para obtener más información.

Supongamos que tenemos una molécula cíclica inicial:

Ahora añadimos un bonito ión de cobre a esta molécula:

Dado que el ión tiene carga eléctrica nos va a servir para introducir en el ciclo otra molécula larga que tenga la capacidad de sentirse atraída por la carga el ión:

Ahora ponemos otra molécula que reaccione con esta última que hemos introducido y acabe formando un ciclo:

Ya tenemos un catenano.

Pero todavía tenemos más, acabamos de crear un campo de la quimica.  Depende de como se enrolle una molécula sobre la otra vamos a tener distintas configuraciones.  Pero eso se conoce en matemática, más concretamente en topología, como nudos:

La topología se encarga de clasificar las posibles formas de anudar en tres dimensiones.  Un nudo es una curva que no se puede deshacer sin producir un corte en algún sitio.  Su interés en química y matemáticas es enorme y gracias a la topología podemos tener control de las posibles estructuras que queremos diseñar y cómo hacerlo:

Así empezó el campo de la química topológica.

¿Y las máquinas?

Bueno, hasta ahora no se ha hablado mucho de máquinas, pero en la década de los 90 se produjo un descubrimiento fantástico.  En rotaxanos y catenanos se podrían dar configuraciones en las que una molécula rotara alrededor de la otra cuando se le suministra energía.  Esta energía puede provenir de luz, de diferencias de pH, de diferencias de carga, etc.   Así podemos tener un pequeño motor molecular, algo fantástico.

Luego, estos chavales hicieron maravillas como ascensores, motores, moléculas que se contraen y se estiran, etc.

La naturaleza aún nos saca mucha ventaja pero sin duda vamos sobre su pista.  Cada vez construimos diseños más complejos que hacen acciones más complicadas.

Nos seguimos leyendo…