Motores Moleculares

MOTORES MOLECULARES BIOLÓGICOS: RETOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS

La evolución ha provisto a los seres vivos de sistemas motores fascinantes. Desde los canales iónicos en las membranas celulares, pasando por los cilios y flagelos de seres unicelulares, hasta los músculos de los mayores mamíferos están todos constituidos por motores moleculares. Los movimientos macroscópicos generados, en el caso de los mamíferos, son suaves, continuos, elegantes.., nunca reproducido por una máquina artificial. El cerebro de cualquier mamífero es consciente del esfuerzo que ha de hacer para desplazar un obstáculo, cortar los vegetales que ha de comer o conseguirla la velocidad de movimientos deseada.

Tomando a la naturaleza como inspiración, un primer reto científico sería conseguir motores que respondan a un estímulo externo con la misma elegancia que los naturales

Tomando a la naturaleza como inspiración, un primer reto científico sería conseguir motores que respondan a un estímulo externo con la misma elegancia que los naturales. Un segundo reto para nuestros siempre limitados conocimientos: construir máquinas capaces de sentir por sí mismas las condiciones mecánicas, químicas, térmicas o lumínicas en las que trabajan.

El conjunto formado por los músculos-sensores de un órgano (una mano), los nervios y el cerebro forma un sistema consciente: cuando en la oscuridad cogemos un objeto, por ejemplo un huevo, somos conscientes de su peso, sus dimensiones y forma, así como del esfuerzo que debemos de hacer para cogerlo, sin romperlo. La tecnología actual de motores y sensores independientes conectados a un ordenador provisto de un potente software nos permite una primera aproximación a la construcción de sistemas con una cierta consciencia, aunque muy primitiva debido a la complejidad del software requerido para leer las señales de todos y cada uno de los dispositivos y para tomar las decisiones oportunas en función de todas, y cada una, de las lecturas. Los músculos naturales suscitan un tercer reto a nuestros conocimientos, nuestra imaginación y nuestra capacidad de trabajo: la construcción de sistemas simples capaces de tomar decisiones autónomas. Si fuésemos capaces de aceptar el reto de sintetizar materiales actuadores-sensores, y con ellos motores sensibles al ambiente en el que todas las señales están contenidas en sólo dos cables, la complejidad del software se reduciría a la milésima, o millonésima, parte: sería sencillo y barato construir robots con cierta consciencia de las condiciones de trabajo, infinitamente mas amigables y flexibles para la interacción con los humanos que los actuales.

Los músculos naturales son, además, auto-reparables cubriendo, simultáneamente, las tres características básicas de los materiales inteligentes: actuadores, sensores y auto-reparables. Conseguir materiales análogos constituye un cuarto reto, posiblemente sólo al alcance de nuestros nietos. Ya estamos colocado las primeras piedras.

MOTORES MOLECULARES, ELECTRÓNICA MOLECULAR Y NANO-TECNOLOGÍAS

La tecnología actual se basa en el empleo de materiales no reactivos. Las nuevas moléculas para motores moleculares, sin embargo, han de ser reactivas, produciendo movimientos como respuesta a estímulos externos (químicos, eléctricos, fotoquímicos...). Simultáneamente muchas de estas moléculas cambian, bajo control, sus propiedades conductoras comportándose como interruptores moleculares, transistores, díodos...: son los nuevos dispositivos electrónicos moleculares. De momento progresamos con gran eficacia, por euro invertido, en la síntesis y control de estas moléculas, los nuevos ladrillos, azulejos, terrazos y mosaicos necesarios para el nuevo edificio de la electrónica molecular.

	Se están produciendo los primeros resultados esperanzadores para el ensamblaje de moléculas y el inicio de la electrónica molecular

La síntesis nos permite llegar a una disolución en la que tenemos trillones de moléculas, todas iguales, por litro. El paso siguiente consiste en ir cogiendo una molécula de cada clase (de distintas disoluciones) y ensamblarlas para construir los dispositivos que, bajo nuestro control, realicen un trabajo o una función (tenemos las piezas hay que construir el coche). Hasta hace unos pocos años no disponíamos de herramientas para manipular moléculas de una en una. El desarrollo del microscopio de fuerza atómica y todos sus derivados han dado lugar en los últimos 10 años, además de a innumerables empresas que los mejoran y comercializan para su uso en todos los campos de materiales, biología o medicina, a nuevas técnicas para pescar, trasladar, depositar y hacer reaccionar los átomos y moléculas de uno en uno. Se están produciendo los primeros resultados esperanzadores para el ensamblaje de moléculas y el inicio de la electrónica molecular.

Las micro y nano-tecnologías construyen dispositivos cada vez más pequeños a partir de trozos grandes, como se construye una pieza mecánica desde un trozo de acero: de arriba hacia abajo, eliminando la materia sobrante. Con la electrónica molecular las piezas (la moléculas y los dispositivos moleculares) se están construyendo por ensamblado desde los átomos constituyentes (de abajo hacía arriba). En el límite se han de llegar a encontrar algún día.

MATERIALES Y NUEVOS DISPOSITIVOS MACROSCÓPICOS (TRADICIONALES) A PARTIR DE LAS NUEVAS MOLÉCULAS

Mientras, y dado que disponemos de disoluciones de nuevas moléculas, aplicamos las técnicas tradicionales para obtener los materiales en forma de láminas, hilos o en suspensiones micelares. Algunas de sus propiedades moleculares pueden así aprovecharse para nuevas aplicaciones, o para nuevos aspectos de aplicaciones tradicionales. Se empiezan a construir los primeros dispositivos (díodos emisores de luz orgánicos y poliméricos en láminas -los inorgánicos son puntos-, pantallas extraplanas, bio-sensores, telas conductoras, semiconductoras o dosificadores inteligentes de fármacos).

MÚSCULOS ARTIFICIALES POLIMÉRICOS

Si los motores moleculares biológicos están formados por moléculas lineales, como las proteínas, de los músculos, una de las vías pensadas para desarrollar músculos artificiales es a partir de películas poliméricas cuyas cadenas moleculares se encojan o estiren como respuesta a un estímulo externo de onda cuadrada (campo eléctrico, luz, campo magnético). Músculos poliméricos electrostáticos, electrostrisctivos, piezoeléctricos, electrocinéticas, ferroeléctricos... forman parte de este nuevo campo científico y tecnológico.

MÚSCULOS ARTIFICIALES SENSORES

Los polímeros anteriores responden a estímulos externos, pero no son reactivos en el sentido químico, como los músculos naturales. Los polímeros conductores electrónicos intrínsecos, cuyo descubrimiento mereció el Nóbel de Química del año 2000 para los Profesores MacDiarmid, Geeger y Shirakawa, son reactivos, pudiendo oxidarse y reducirse, como los metales. Estas reacciones, inducidas por la corriente provocan el intercambio reversible de aniones y agua, y variación de volumen, con la disolución. La intensidad y sentido de la corriente controlan el movimiento. El potencial eléctrico del músculo varía, como el de cualquier equilibrio químico, con cualquier variable externa que actúe sobre él: el músculo es un sensor de la carga que arrastra, de la temperatura, de la concentración de sal o de las condiciones químicas del ambiente.

Por fin tenemos un actuador-sensor con todas las señales en los mismos dos cables de conexión. Con él hemos desarrollado un músculo táctil. Estamos en condiciones de empezar a producir sistemas con una consciencia mecánica muy primitiva.

SITUACIÓN MUNDIAL

Los músculos artificiales poliméricos son tema prioritario de las agencias espaciales, así como de los programas que financian tecnologías de interés militar. La investigación y desarrollo en músculos poliméricos piezoeléctricos, electrostrictivos, electrostáticos y ferroeléctricos, con memoria de forma o fotomecánicos está experimentando un crecimiento espectacular dando origen a la creación de gran número empresas start-up, con aspiración de multinacionales, o de grupos de investigación y desarrollo en las empresas aeronaúticas o espaciales.

SITUACIÓN ESPAÑOLA RELATIVA

	En España el número de excelentes laboratorios de síntesis orgánica implicados en la síntesis de motores moleculares es creciente

En España el número de excelentes laboratorios de síntesis orgánica implicados en la síntesis de motores moleculares es creciente. Los electroquímicos hemos desarrollado el primer músculo artificial con polímeros conductores, los primeros materiales actuadores-sensores y el primer músculo con sensibilidad táctil. Se ha creado un centro de transferencia de tecnologías electroquímicas, CIDETEC, en el parque Tecnológico de San Sebastián; existe una primera empresa en la Univ. Carlos III dedicada a la comercialización de equipos de control y de distintos músculos artificiales; Tenemos otra empresa en el Parque Tecnológico de Málaga dedicada al desarrollo y fabricación de micro y nanotubos poliméricos para actuadores y existe un número creciente de Departamentos interesados en los músculos piezoeléctricos y electrostrictivos. Unos 12 investigadores en 8 o 10 grupos de investigación. No hay congreso mundial en el que no impartamos una conferencia plenaria o invitada, formemos parte de los comités científicos... El colofón ha sido la invitación a participar en la Conferencia Solvay. Los Institutos Solvay vienen organizando estas conferencias cada 6-10 años desde hace 100 años. Asisten científicos, 45 en este caso de entre los miles que en mundo trabajan con motores moleculares, invitados personalmente por la organización. Esa relevante presencia es insostenible si los grupos no alcanzan un tamaño crítico, tanto en el número de técnicos, estudiantes o científicos, como en la financiación.

Motor molecular ideal de una cadena lineal de polímero conductor en un medio electrolítico en el que las interacciones intermoleculares, la distribuciónde los dobles enlaces y las cargas positivas y los cambios conformacionales reversibles (energía mecánica) son estimulados y controlados por la oxidación/reducción de la cadena polimérica. a) cadena neutra(reducida), b) cadena completamente oxidada. Velocidad y posición son controladas por la intensidad y sentido de la corriente.


(1) El músculo de tricapa (polímero conductor/cintaadhesiva/polimero conductor), en disolución acuosa de 1M LiClO4 inicia el movimiento bajo flujo de una corriente constante de 15 mA. 10 segundos después (2) encuentra en su camino un obstáculo que pesa 6000 mg., lo empuja hasta sobrepasarlo (3, 4, 5 y 6). La posición original se recupera invirtiendo el sentido de paso de la corriente.


Evolución del potencial muscular a lo largo del movimiento descrito en la figura anterior. Las respuestas se superponen durante los 10 primeros segundos: el músculo se mueve libre cada vez. El potencial salta al encontrarse la resistencia mecánica del obstáculo y el salto es proporcional al peso del obstáculo: 1200, 2400, 3600, 4800, 6000, 7200, 8400, 9600 mg. El músculo es incapaz de mover el obstáculo que pesa 14400 mg y el potencial salta varios voltios en el momento del contacto. La posición original se recupera cada vez mediante flujo de una corriente de -15 mA.


Esquemas del montaje experimental que permite un control simultáneo de de la corriente actuadora y del potencial muscular (respuesta sensora) de: a) el dispositivo (músculo de tricapa), b) el electrodo de trabajo (en este caso del mismo músculo).


Representación esquemática de motores moleculares de: a) un [2]catenano y b) un [2]rotaxano. Las flechas indican los movimientos relativos de las dos partes de la molécula, estimulados por: reacciones de oxidación/reducción, iluminación/oscuridad, aumento o disminución de temperatura.


Scheme. Un [2]Rotaxano, inmovilizado como monocapa sobre oro cuyo movimiento se estimula por oxidación/reducción electroquímica y se controla por RMN.

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• Intelligent Materials. Ed por M Shahinpoor y H-J Schneider. RSC. 2008. ISBN-978 085404-335-4.
  
• Angewandte Chemie-International Edition 46, 72-191, 2007.