Motor browniano

Los motores brownianos son máquinas a nanoescala o moleculares que utilizan reacciones químicas para generar movimiento dirigido en el espacio. [1] La teoría detrás de los motores brownianos se basa en los fenómenos del movimiento browniano , movimiento aleatorio de partículas suspendidas en un fluido (un líquido o un gas ) que resulta de su colisión con las moléculas que se mueven rápidamente en el fluido. [2]

Ahora se cree que la kinesina , un ejemplo de un motor molecular que usa ATP para "caminar" a lo largo de los nanotúbulos , es un ejemplo de un motor browniano.

En la nanoescala (1-100 nm), la viscosidad domina la inercia , y el grado extremadamente alto de ruido térmico en el ambiente hace que el movimiento dirigido convencional sea casi imposible, porque las fuerzas que impulsan estos motores en la dirección deseada son minúsculas en comparación con las aleatorias. Fuerzas ejercidas por el medio ambiente. Los motores brownianos operan específicamente para utilizar este alto nivel de ruido aleatorio para lograr un movimiento dirigido y, como tales, solo son viables en la nanoescala . [3]

El concepto de motores brownianos es reciente, y solo lo acuñó en 1995 Peter Hänggi , pero la existencia de tales motores en la naturaleza puede haber existido durante mucho tiempo y ayudar a explicar los procesos celulares cruciales que requieren movimiento a nanoescala . como la síntesis de proteínas y la contracción muscular . Si este es el caso, los motores brownianos pueden tener implicaciones para los cimientos de la vida misma. [3]

En tiempos más recientes, los humanos han intentado aplicar este conocimiento de los motores brownianos naturales para resolver problemas humanos. Las aplicaciones de los motores brownianos son más obvias en la nanorobótica debido a su dependencia inherente del movimiento dirigido. [4] [5]

siglo 20

Esta es una simulación del movimiento browniano de una gran partícula (partícula de polvo) que choca con un gran conjunto de partículas más pequeñas (moléculas de un gas) que se mueven con diferentes velocidades en diferentes direcciones aleatorias.
El lugar de los solitarios

 Que el lugar de los solitarios
 sea ​​un lugar de ondulación perpetua.

 Ya sea en medio del mar,
 en la rueda de agua verde oscura,
 o en las playas,
 no debe haber cesación
 del movimiento, o del ruido del movimiento,
 la renovación del ruido
 y la continuación múltiple;

 Y, sobre todo, del movimiento del pensamiento
 y su inquieta iteración,

 en el lugar de los solitarios,
 que será un lugar de perpetua ondulación.

Wallace Stevens (1879-1955).

El término "motor browniano" fue inventado originalmente por el físico teórico suizo Peter Hänggi en 1995. [3] El motor browniano, como los fenómenos del movimiento browniano que sustentaron su teoría subyacente, también recibió su nombre del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown , quien, mientras mira a través de un microscopio en el polen de la planta Clarkia pulchella sumergido en agua, descrito famoso el movimiento aleatorio de partículas de polen en agua en 1827. en 1905, casi ochenta años más tarde, físico teórico Albert Einstein publicó un documento donde se modela el movimiento de el polen es movido por moléculas de agua individuales , [6] y esto fue verificado experimentalmente por Jean Perrin en 1908, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1926 "por su trabajo sobre la estructura discontinua de la materia". [7] Estos desarrollos ayudaron a crear los fundamentos de las teorías actuales del mundo a nanoescala .

La nanociencia ha permanecido tradicionalmente durante mucho tiempo en la intersección de las ciencias físicas de la física y la química , pero los desarrollos más recientes en la investigación la posicionan cada vez más fuera del alcance de cualquiera de estos dos campos tradicionales. [8]

Siglo 21

En 2002, un artículo fundamental sobre los motores brownianos publicado en la revista del Instituto Americano de Física Physics Today , "Motores Brownianos", por Dean Astumian, profesor de física en la Universidad de Maine en Orono , y Peter Hänggi , profesor de física teórica. en la Universidad de Augsburg , Alemania . Allí, propusieron el entonces novedoso concepto de motores brownianos y postularon que "el movimiento térmico combinado con la energía de entrada da lugar a una canalización del azar que puede usarse para ejercer control sobre sistemas microscópicos". Astumian y Hänggi proporcionan en su artículo una copia del poema de 1919 de Wallace Stevens , El lugar de los solitarios, para ilustrar elegantemente, desde una perspectiva abstracta, la naturaleza incesante del ruido.

Inspirados por el fascinante mecanismo por el cual las proteínas se mueven frente al ruido térmico, muchos físicos están trabajando para comprender los motores moleculares a escala mesoscópica. Una idea importante de este trabajo es que, en algunos casos, el ruido térmico puede ayudar al movimiento dirigido al proporcionar un mecanismo para superar las barreras de energía. En esos casos, se habla de "motores brownianos". En este artículo, nos enfocamos en varios ejemplos que resaltan algunos conceptos físicos subyacentes prominentes que han surgido. Pero primero notamos que también a los poetas les ha fascinado el ruido; ver recuadro 1.

...

En el mundo microscópico, “No debe haber cesación / De movimiento, o del ruido del movimiento” (recuadro 1). En lugar de luchar contra él, los motores brownianos aprovechan el ruido incesante para mover partículas de manera eficiente y confiable.

-  Dean Astumian y Peter Hänggi, "Brownian Motors"

Una demostración importante de nanoingeniería y nanotecnología fue la construcción de un práctico motor browniano artificial por parte de IBM en 2018. [9] Específicamente, se creó un paisaje energético al dar forma con precisión a una rendija nanofluídica , y luego se utilizaron potenciales alternos y un campo eléctrico oscilante para Nanopartículas de “roca” para producir movimiento dirigido. El experimento logró que las nanopartículas se movieran a lo largo de una pista con la forma del contorno del logotipo de IBM y constituye un hito importante en el uso práctico de los motores brownianos y otros elementos a nanoescala .

La nanociencia Hub Sydney , $ 150 millones de líneas de propósito construido UA para la investigación y la educación a escala nanométrica.

Además, varias instituciones de todo el mundo, como el Instituto Nano de la Universidad de Sydney , con sede en el Centro de Nanociencia de Sydney (SNH), y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) de la Universidad de Basilea , son ejemplos de la actividad de investigación que está surgiendo en el campo de la nanociencia. Los motores brownianos siguen siendo un concepto central tanto en la comprensión de los motores moleculares naturales como en la construcción de máquinas útiles a nanoescala que involucran movimiento dirigido. [4] [5]

La investigación en nanociencia dentro del Swiss Nanocience Institute (SNI) se centra en áreas de beneficio potencial para las ciencias de la vida, la sostenibilidad y las tecnologías de la información y las comunicaciones. El objetivo es explorar fenómenos a nanoescala e identificar y aplicar nuevos principios pioneros. Esto implica que los investigadores se sumerjan en el mundo de los átomos y moléculas individuales. En este nivel, las disciplinas clásicas de física, biología y química se fusionan en una. La colaboración interdisciplinar entre diferentes ramas de la ciencia e instituciones es, por tanto, un elemento clave del trabajo diario del SNI.

-  Instituto Suizo de Nanociencia, sitio web de la Universidad de Basilea

El modelo de trinquete sirve como base teórica del motor browniano.

El ruido térmico en la nanoescala es tan grande que moverse en una dirección particular es tan difícil como "caminar en un huracán " o "nadar en melaza ". [8] El funcionamiento teórico del motor browniano puede explicarse mediante la teoría del trinquete, en la que se permiten fuertes fluctuaciones térmicas aleatorias para mover la partícula en la dirección deseada, mientras que se gasta energía para contrarrestar las fuerzas que producirían movimiento en la dirección opuesta. Este movimiento puede ser tanto lineal como rotacional. En el sentido biológico y en la medida en que este fenómeno aparece en la naturaleza, existe ya que la energía química proviene de la molécula de trifosfato de adenosina (ATP).

El trinquete browniano es una aparente máquina de movimiento perpetuo que parece violar la Segunda Ley de la Termodinámica , pero luego fue desacreditada por un análisis más detallado por Richard Feynman y otros físicos . La diferencia entre los motores brownianos reales y los trinquetes brownianos ficticios es que solo en los motores brownianos hay una entrada de energía para proporcionar la fuerza necesaria para mantener el motor en su lugar para contrarrestar el ruido térmico que intenta mover el motor en la dirección opuesta. . [10]

Debido a que los motores brownianos se basan en la naturaleza aleatoria del ruido térmico para lograr un movimiento dirigido, son de naturaleza estocástica , ya que pueden analizarse estadísticamente pero no predecirse con precisión. [11]

En biología , gran parte de lo que entendemos que son motores moleculares basados ​​en proteínas también pueden ser motores brownianos. Estos motores moleculares facilitan los procesos celulares críticos en los organismos vivos y, de hecho, son fundamentales para la vida misma.

Los investigadores han logrado avances significativos en términos de examinar estos procesos orgánicos para comprender mejor su funcionamiento interno. Por ejemplo, en los seres humanos existen motores brownianos moleculares en forma de varios tipos diferentes de proteínas . Dos motores brownianos biomoleculares comunes son la ATP sintasa , un motor rotativo, y la miosina II , un motor lineal. [11] La proteína motor ATP sintasa produce rotación de par que facilita la síntesis de ATP a partir de adenosina difosfato (ADP) e inorgánica de fosfato (P i ) a través de la siguiente reacción general:

ADP + P i + 3H + cabo ⇌ ATP + H 2 O + 3H + en

Por el contrario, el torque producido por la miosina II es lineal y es una base para el proceso de contracción muscular . [11] Las proteínas motoras similares incluyen la kinesina y la dineína , que convierten la energía química en trabajo mecánico mediante la hidrólisis del ATP . Muchas proteínas motoras dentro de las células humanas actúan como motores brownianos al producir un movimiento dirigido en la nanoescala , y algunas proteínas comunes de este tipo se ilustran en las siguientes imágenes generadas por computadora .

  • Proteínas que actúan como motores brownianos dentro de las células humanas

  • ATP sintasa

  • Miosina II

  • Kinesina

  • "> Reproducir medios

    Dynein

Nanorobótica

La relevancia de los motores brownianos para el requisito de movimiento dirigido en nanorobótica se ha vuelto cada vez más evidente para los investigadores tanto del mundo académico como de la industria. [4] [5]

La replicación artificial de los motores brownianos se basa en la naturaleza y difiere de ella, y un tipo específico es el fotomotor, en el que el motor cambia de estado debido a pulsos de luz y genera movimiento dirigido. Estos fotomotores, a diferencia de sus homólogos naturales ˇ, son inorgánicos y poseen una mayor eficiencia y velocidad media , por lo que se adaptan mejor al uso humano que las alternativas existentes, como los motores de proteínas orgánicas . [12]

Actualmente, uno de los seis "Grandes Desafíos" actuales del Nano Institute de la Universidad de Sydney es desarrollar nanorobótica para la salud , un aspecto clave del cual es una " fundición de piezas a nanoescala " que puede producir motores brownianos a nanoescala para el " transporte activo alrededor del cuerpo". ”. El Instituto predice que entre las implicaciones de esta investigación se encuentra un "cambio de paradigma" en la atención médica "que se aleja del modelo de " ruptura-arreglo "hacia un enfoque en la prevención y la intervención temprana", como en el caso de las enfermedades cardíacas : [13]

Los cambios a nivel molecular en la enfermedad cardíaca temprana ocurren a nanoescala. Para detectar estos cambios, estamos construyendo robots a nanoescala, más pequeños que las células, que navegarán por el cuerpo. Esto nos permitirá ver el interior incluso de los vasos sanguíneos más estrechos, para detectar los depósitos de grasa (placa aterosclerótica) que señalan el inicio del bloqueo arterial y permitir el tratamiento antes de que la enfermedad progrese.

...

El impacto de este proyecto será extenso. Mejorará los resultados de salud para todos los australianos con enfermedades cardíacas y reducirá los costos de atención médica. Tiene potencial para beneficiar otros problemas de salud, incluidos el cáncer, la demencia y otras enfermedades neurodegenerativas. Proporcionará un entorno de colaboración de clase mundial para capacitar a la próxima generación de investigadores australianos, impulsando la innovación y el desarrollo de nuevas industrias y empleos en Australia.

El profesor Paul Bannon, un cirujano cardiotorácico adulto de prestigio internacional e investigador médico destacado , [14] [15] resume los beneficios de la nanorobótica en la salud. [13]

Si pudiera miniaturizarme dentro del cuerpo ... podría detectar daños tempranos y tratables en tus arterias coronarias cuando tengas 25 años y así evitar tu muerte prematura.

-  Profesor Paul Bannon, MBBS, PhD, FRACS

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  • Peter Hänggi

  1. ↑ Physics of Life - Brownian Motion and Brownian Motors , consultado el 26 de mayo de 2020
  2. ^ Feynman, R. (1964). "El movimiento browniano" . La conferencias de Feynman de Física, Volumen I . págs. 41–1.
  3. ^ a b c Astumiano, R. Dean; Hänggi, Peter (12 de enero de 2007). "Motores brownianos". La física hoy . 55 (11): 33. doi : 10.1063 / 1.1535005 . ISSN  0031-9228 .
  4. ^ a b c "Experiencia en investigación" . La Universidad de Sydney . Consultado el 7 de junio de 2020 .
  5. ^ a b c "Investigación | Instituto Suizo de Nanociencia" . nanociencia.ch . Consultado el 7 de junio de 2020 .
  6. ^ Einstein, A. (1905). "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" . Annalen der Physik (en alemán). 322 (8): 549–560. Código Bib : 1905AnP ... 322..549E . doi : 10.1002 / yp.19053220806 .
  7. ^ "El Premio Nobel de Física 1926" . NobelPrize.org . Consultado el 7 de junio de 2020 .
  8. ^ a b Rd, astumiano (7 de octubre de 2007). "Principios de diseño para máquinas moleculares brownianas: cómo nadar en melaza y caminar en un huracán". Física Química Física Química . 9 (37): 5067–83. Código Bibliográfico : 2007PCCP .... 9.5067A . doi : 10.1039 / b708995c . PMID  17878982 .
  9. ^ Skaug, Michael J .; Schwemmer, Christian; Flecos, Stefan; Rawlings, Colin D .; Knoll, Armin W. (30 de marzo de 2018). "Motores brownianos oscilantes nanofluídicos" . Ciencia . 359 (6383): 1505–1508. arXiv : 1808.08147 . Código bibliográfico : 2018Sci ... 359.1505S . doi : 10.1126 / science.aal3271 . ISSN  0036-8075 . PMID  29599239 .
  10. ^ Oster, George (mayo de 2002). "Trinquetes brownianos: motores de Darwin" . Naturaleza . 417 (6884): 25. Bibcode : 2002Natur.417 ... 25O . doi : 10.1038 / 417025a . ISSN  1476-4687 . PMID  11986647 . S2CID  4427109 .
  11. ^ a b c Ait-Haddou, Rachid; Herzog, Walter (1 de mayo de 2003). "Modelos de trinquete browniano de motores moleculares". Bioquímica y biofísica celular . 38 (2): 191–213. doi : 10.1385 / CBB: 38: 2: 191 . ISSN  1559-0283 . PMID  12777714 . S2CID  28254182 .
  12. ^ Rozenbaum, Viktor M .; Dekhtyar, Marina L .; Lin, Sheng Hsien; Trakhtenberg, Leonid I. (12 de agosto de 2016). "Transporte molecular de difusión fotoinducida". La Revista de Física Química . 145 (6): 064110. Código Bibliográfico : 2016JChPh.145f4110R . doi : 10.1063 / 1.4960622 . ISSN  0021-9606 .
  13. ^ a b "Grandes desafíos - Nanorobótica para la salud" . La Universidad de Sydney . Consultado el 7 de junio de 2020 .
  14. ^ "Acerca de" . Paul Bannon . Consultado el 7 de junio de 2020 .
  15. ^ "SLHD - Profesor Paul Bannon" . www.slhd.nsw.gov.au . Consultado el 7 de junio de 2020 .

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  • Freund, JA; Pöschel, T. (2000). "Procesos estocásticos en física, química y biología". Lecture Notes in Physics, vol. 557 . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-41074-4.
  • Motor browniano en arxiv.org
  • Hänggi, Peter; Marchesoni, Fabio (2009). "Motores Brownianos artificiales: control del transporte a nanoescala" (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 81 (1): 387–442. arXiv : 0807.1283 . Código Bibliográfico : 2009RvMP ... 81..387H . doi : 10.1103 / RevModPhys.81.387 . S2CID  16690300 .