Microrobots moleculares que nadan en el agua

Un equipo de tres científicos de la Universidad de Hokkaido ha logrado crear un microcristal con un mecanismo que lo capacita para la autopropulsión en el agua.

El hallazgo ha sido publicado recientemente en la revista Small, una publicación semanal sobre nanotecnología. Los nanorobots creados son capaces de moverse de forma autosuficiente. Dos son los aspectos para lograrlo: crear un robot molecular que pueda deformarse de manera reversible y convertir dicha deformación en propulsión para el propio robot. Yoshiyuki Kageyama es quien lidera el grupo y ya había resuelto el primer paso en un trabajo anterior, es decir, la creación de robots que pueden deformarse de forma recíproca. Según el teorema de la vieira de Edward Purcell (1977), los objetos diminutos no pueden convertir su movimiento recíproco en movimiento progresivo. Un movimiento recíproco es cualquier movimiento repetitivo en línea recta. En el estudio actual, los científicos dieron el siguiente paso, es decir, lograron realizar la autopropulsión del robot molecular, en un movimiento limitado a dos dimensiones, en el interior de un tanque de agua, bajo unas condiciones de resistencia por viscosidad insignificantes. En este sentido es importante el número de Reynolds y los autores lo citan en su artículo, cuyo título es Self-Propulsion of a Light-Powered Microscopic Crystalline Flapper in Water. El número de Reynolds se define como la relación existente entre las fuerzas inerciales o conectivas entre las fuerzas viscosas. Es fundamental para poder describir un flujo laminar (número pequeño) o turbulento (número grande). Los autores trabajaron con un número de Reynold bajo, en el cual se enmarca el teorema de la vieira.

Luz azul

Para que la materia microscópica muestre actividad dinámica hace falta energía y esta puede llegar en forma de luz. En el caso que nos ocupa, el microrobot funciona con luz azul. Se consiguieron movimientos intermitentes, no continuados. El movimiento de volteo recíproco de los cristales imita al de un pez moviendo su aleta caudal, aunque muchos nanocristales nadaron hacia el sentido opuesto al que lo harían los peces. Un cristal pequeño con una parte menos deformable en su aleta muestra un movimiento de natación a tirones, mientras que con un cristal con una aleta que se deforma uniformemente se logran movimientos de tipo empuje. En realidad han conocido tres estilos de nación del micro submarino a los que han llamado estilo “golpe”, estilo “patada” y estilo “de costado”.

Interruptores moleculares

Los interruptores moleculares son moléculas que tienen más de un estado estable y que pueden cambiar de uno a otro según ciertos estímulos: pH, luz, temperatura, corriente eléctrica, micro-contacto o por la presencia de un ligando. Una combinación de varios estímulos pueden usarse para fabricar una molécula que genere estados análogos a encendido/apagado. Esto los hace apropiados para la investigación en nanotecnología para ordenadores moleculares. Aunque no es cosa inventada por el ser humano, pues en el mundo de la biología también está presente. Por ejemplo, en la regulación alostérica.

Las moléculas fotocrómicas representan un ejemplo característico de interruptor molecualar. Estos compuestos son capaces de cambiar entre dos o más estados al ser irradiados por una longitud de onda específica. Los azobencenos son fotocromáticos, debido al doble enlace que unen dos átomos de nitrógeno enlazados a dos anillos bencénicos. Se produce la llamada fotoisomerización cis-tras. El isómero trans dell azobenceno absorbe luz a 313 nm y el isómero cis lo hace a 460 nm.

Los nuevos cristales autopropulsados

Los cristales se preparan a partir de un derivado del azobenceno y ácido oleico, mediante procedimientos complejos descritos en el artículo. El movimiento autorepetitivo de alargamiento y encogimiento se produjo a través de la transición de la fase cristalina desencadenada por la fotoisomerización, una propiedad que confiere al cristal la posibilidad de cambiar entre las dos formas (cis-trans), como si fuese un interruptor molecular. La fotoisomerización del azobenceno ya era conocida desde el año 1937, por G. S. Hartley. Este cambio en la posición de un solo enlace es el desencadenante del movimiento de todo el cristal. Se trata de un movimiento de natación intermitente en el que una parte del cristal es lo más parecido a una aleta diminuta. Hasta ahora, como se afirma en el artículo, no se muestra la eficiencia esperada, pues hay fallas en la direccionalidad. Sin embargo, “este estudio muestra un diseño básico para la creación de pequeños dispositivos de movimiento activo artificial”.

Los precedentes

grupo
Yoshiyuki Kageyama aparecen en el centro, delante y Kazuma Obara justo detrás de él. Fuente: https://www.global.hokudai.ac.jp/blog/mobile-molecular-robots-swim-in-water/

El artículo está firmado por Kazuma Obara, Yoshiyuki Kageyama y Sadamu Takeda, todos científicos de la Universidad de Hokkaido, Japón. Efectivamente Kageyama no es la primera vez que publica algo al respecto, de hecho lleva tiempo investigando sobre movimiento de robots moleculares. En 2019 publicó un artículo en ChemPotoChem, Light-Powered Self-Sustainable Macroscopic Motion for theActive Locomotion of Materials. Aquí hacía una revisión de los trabajos sobre moléculas fotosensibles que muestran funciones mecánicas. Introducía modelos matemáticos con el fin de abrir puertas para pasar del movimiento discontinuo al continuo, un reto que sigue vigente. Ya en marzo de 2020 publicó Light-Driven Flipping of Azobenzene Assemblies—Sparse Crystal Structures and Responsive Behaviour to Polarised Light, en Shemistry A Eurpean Journal, donde analizaba el uso del azobenceno en cristales como posible centro de reacción ante la luz para lograr una respuesta mecánica. Como vemos, un estudio dirigido paso a paso. Tal vez pronto veamos, por fin, el movimiento continuo, sin patadas, golpes o empujones. La propia Universidad de Hokkaido se ha hecho eco en su página web de la noticia del nuevo artículo: Mobile molecular robots swim in water. En ella muestra una foto de los autores y de otros miembros del equipo de Kageyama.

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Eugenio Manuel Fernández Aguilar

Soy físico de formación, aunque me interesan todas las disciplinas científicas. He escrito varios libros de divulgación científica y me encanta la Historia de la Ciencia.

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