Un nanomotor es un dispositivo molecular o a nanoescala capaz de convertir energía en movimiento. Por lo general, puede generar fuerzas del orden de piconewtons . [1] [2] [3] [4]
Si bien los artistas han utilizado las nanopartículas durante siglos, como en la famosa copa Lycurgus , la investigación científica en nanotecnología no se produjo hasta hace poco. En 1959, Richard Feynman dio una famosa charla titulada " Hay mucho espacio en la parte inferior " en la conferencia de la Sociedad Estadounidense de Física organizada en Caltech. Continuó haciendo una apuesta científica de que ninguna persona podría diseñar un motor de menos de 400 µm en ningún lado. [6] El propósito de la apuesta (como con la mayoría de las apuestas científicas) era inspirar a los científicos a desarrollar nuevas tecnologías, y cualquiera que pudiera desarrollar un nanomotor podía reclamar el premio de $ 1,000 USD. [6] Sin embargo, su propósito fue frustrado por William McLellan., que fabricó un nanomotor sin desarrollar nuevos métodos. No obstante, el discurso de Richard Feynman inspiró a una nueva generación de científicos a dedicarse a la investigación en nanotecnología.
Los nanomotores son el foco de la investigación por su capacidad para superar la dinámica microfluídica presente en números bajos de Reynold . La teoría de la vieira explica que los nanomotores deben romper la simetría para producir movimiento en números bajos de Reynold. Además, se debe considerar el movimiento browniano porque la interacción partícula-solvente puede impactar dramáticamente la capacidad de un nanomotor para atravesar un líquido. Esto puede plantear un problema importante al diseñar nuevos nanomotores. La investigación actual sobre nanomotores busca superar estos problemas y, al hacerlo, puede mejorar los dispositivos de microfluidos actuales o dar lugar a nuevas tecnologías. [ cita requerida ]
Se han realizado importantes investigaciones para superar la dinámica de los microfluidos en números de Reynolds bajos. Ahora, el desafío más urgente es superar problemas como la biocompatibilidad, el control de la direccionalidad y la disponibilidad de combustible antes de que los nanomotores puedan usarse para aplicaciones teranósticas dentro del cuerpo. [7]
Motores de nanotubos y nanocables
En 2004, Ayusman Sen y Thomas E. Mallouk fabricaron el primer nanomotor sintético y autónomo. [8] Los nanomotores de dos micrones de largo estaban compuestos por dos segmentos, platino y oro, que podían reaccionar catalíticamente con peróxido de hidrógeno diluido en agua para producir movimiento. [8] Los nanomotores Au-Pt tienen un movimiento autónomo, no browniano, que se deriva de la propulsión a través de la generación catalítica de gradientes químicos. [8] [9] Como se implica, su movimiento no requiere la presencia de un campo magnético, eléctrico u óptico externo para guiar su movimiento. [10] Al crear sus propios campos locales, se dice que estos motores se mueven a través de la autoelectroforesis . Joseph Wang en 2008 pudo mejorar drásticamente el movimiento de los nanomotores catalíticos de Au-Pt incorporando nanotubos de carbono en el segmento de platino. [11]
Desde 2004, se han desarrollado diferentes tipos de motores basados en nanotubos y nanocables, además de nano y micromotores de diferentes formas. [12] [13] [14] [15] La mayoría de estos motores utilizan peróxido de hidrógeno como combustible, pero existen algunas excepciones notables. [16] [17]
Estos nanomotores de haluro de plata y plata-platino funcionan con combustibles de haluro, que pueden regenerarse mediante la exposición a la luz ambiental. [17] Algunos nanomotores pueden incluso ser propulsados por múltiples estímulos, con respuestas variables. [19] Estos nanocables multifuncionales se mueven en diferentes direcciones dependiendo del estímulo (por ejemplo, combustible químico o energía ultrasónica) aplicada. [19] Por ejemplo, se ha demostrado que los nanomotores bimetálicos experimentan reotaxis para moverse con o contra el flujo de fluidos mediante una combinación de estímulos químicos y acústicos. [20] En Dresde, Alemania, los nanomotores de microtubos enrollados producían movimiento aprovechando las burbujas en reacciones catalíticas. [21] Sin depender de las interacciones electrostáticas, la propulsión inducida por burbujas permite el movimiento del motor en los fluidos biológicos relevantes, pero normalmente todavía requiere combustibles tóxicos como el peróxido de hidrógeno. [21] Esto tiene aplicaciones in vitro limitadas de nanomotores. Sin embargo, una aplicación in vivo de motores de microtubos ha sido descrita por primera vez por Joseph Wang y Liangfang Zhang utilizando ácido gástrico como combustible. [22] Recientemente, el dióxido de titanio también ha sido identificado como un candidato potencial para nanomotores debido a sus propiedades de resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. [23] La investigación futura en nanomotores catalíticos es una gran promesa para importantes aplicaciones de remolque de carga, que van desde dispositivos de microchip de clasificación de células hasta la administración dirigida de fármacos.
Nanomotores enzimáticos
Recientemente, se han realizado más investigaciones sobre el desarrollo de microbombas y nanomotores enzimáticos. Con números bajos de Reynold , las enzimas de una sola molécula podrían actuar como nanomotores autónomos. [24] [25] Ayusman Sen y Samudra Sengupta demostraron cómo las microbombas autoamplificadas pueden mejorar el transporte de partículas. [26] [27] Este sistema de prueba de concepto demuestra que las enzimas se pueden utilizar con éxito como "motor" en nanomotores y microbombas. [28] Desde entonces se ha demostrado que las partículas mismas se difundirán más rápidamente cuando se recubren con moléculas de enzimas activas en una solución de su sustrato. [29] [30] Además, se ha visto a través de experimentos de microfluidos que las moléculas de enzima se someterán a natación direccional hacia arriba en su gradiente de sustrato. [25] [31] Este sigue siendo el único método para separar enzimas basándose únicamente en la actividad. Además, las enzimas en cascada también han mostrado agregación basada en la quimiotaxis impulsada por el sustrato. [32] El desarrollo de nanomotores impulsados por enzimas promete inspirar nuevas tecnologías biocompatibles y aplicaciones médicas. [33] Una de las nuevas tecnologías biocompatibles sería utilizar enzimas para la entrega direccional de carga. [34] [35]
Una rama de investigación propuesta es la integración de proteínas motoras moleculares que se encuentran en células vivas en motores moleculares implantados en dispositivos artificiales. Dicha proteína motora podría mover una "carga" dentro de ese dispositivo, a través de la dinámica de las proteínas , de manera similar a cómo la kinesina mueve varias moléculas a lo largo de las pistas de los microtúbulos dentro de las células. Iniciar y detener el movimiento de tales proteínas motoras implicaría encerrar el ATP en estructuras moleculares sensibles a la luz ultravioleta. Los pulsos de iluminación ultravioleta proporcionarían así pulsos de movimiento. También se han descrito nanomáquinas de ADN, basadas en cambios entre dos conformaciones moleculares de ADN en respuesta a varios desencadenantes externos.
Nanomotores helicoidales
Otra interesante dirección de investigación ha llevado a la creación de partículas de sílice helicoidales recubiertas con materiales magnéticos que pueden maniobrar utilizando un campo magnético giratorio. [36]
Estos nanomotores no dependen de reacciones químicas para alimentar la propulsión. Una bobina de Helmholtz triaxial puede proporcionar un campo giratorio dirigido en el espacio. Trabajos recientes han demostrado cómo estos nanomotores pueden usarse para medir la viscosidad de fluidos no newtonianos a una resolución de unas pocas micras. [37] Esta tecnología promete la creación de un mapa de viscosidad dentro de las células y el medio extracelular. Se ha demostrado que estos nanomotores se mueven en la sangre. [38] Recientemente, los investigadores han logrado mover de manera controlable estos nanomotores dentro de las células cancerosas, lo que les permite rastrear patrones dentro de una célula. [5] Los nanomotores que se mueven a través del microambiente tumoral han demostrado la presencia de ácido siálico en la matriz extracelular secretada por el cáncer . [39]
Nanomotores impulsados por corriente (clásicos)
En 2003 Fennimore et al. presentó la realización experimental de un nanomotor prototípico impulsado por corriente. [40] Se basaba en diminutas hojas de oro montadas en nanotubos de carbono de paredes múltiples, y las propias capas de carbono realizaban el movimiento. El nanomotor es impulsado por la interacción electrostática de las hojas de oro con tres electrodos de puerta donde se aplican corrientes alternas. Algunos años más tarde, varios otros grupos mostraron las realizaciones experimentales de diferentes nanomotores impulsados por corrientes directas. [41] [42] Los diseños típicamente consistían en moléculas orgánicas adsorbidas en una superficie metálica con un microscopio de barrido-túnel (STM) encima. La corriente que fluye desde la punta del STM se utiliza para impulsar la rotación direccional de la molécula [42] o de una parte de ella. [41] El funcionamiento de estos nanomotores se basa en la física clásica y está relacionado con el concepto de motores brownianos . [43] Estos ejemplos de nanomotores también se conocen como motores moleculares .
Efectos cuánticos en nanomotores impulsados por corriente
Debido a su pequeño tamaño, la mecánica cuántica juega un papel importante en algunos nanomotores. Por ejemplo, en 2020 Stolz et al. mostró el cruce del movimiento clásico al túnel cuántico en un nanomotor hecho de una molécula giratoria impulsada por la corriente del STM. [44] Varios autores han explorado los motores cuánticos accionados por corriente alterna basados en átomos fríos. [45] [46] Finalmente, el bombeo cuántico inverso se ha propuesto como una estrategia general hacia el diseño de nanomotores. [47] En este caso, los nanomotores se denominan motores cuánticos adiabáticos y se demostró que la naturaleza cuántica de los electrones se puede utilizar para mejorar el rendimiento de los dispositivos.
Ver también
- Nanotubo de carbono
- Motor electrostático
- Motor molecular
- Nanocar
- Motor cuántico adiabático
- Nanomecánica
- Dinámica proteica
- Motores moleculares sintéticos
- Micromotores
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enlaces externos
- Berkeley.edu - Los físicos construyen el motor más pequeño del mundo
- Proyecto de investigación de nanotubos nanomotores
- Nonomotor
- Nanotecnología, nanomotor y nanobomba