Motor browniano

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

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

El concepto de motores brownianos es reciente, ya que Peter Hänggi lo acuñó en 1995, pero la existencia de tales motores en la naturaleza puede haber existido durante mucho tiempo y ayudar a explicar procesos celulares cruciales que requieren movimiento a la 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.

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.

Historia

Siglo XX

El término “motor browniano” fue inventado originalmente por el físico teórico suizo Peter Hänggi en 1995. El motor browniano, al igual que el fenómeno del movimiento browniano que sustentaba su teoría subyacente, también recibió su nombre del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown, quien, Mientras observaba a través de un microscopio el polen de la planta Clarkia pulchella sumergida en agua, describió en 1827 el movimiento aleatorio de las partículas de polen en el agua. En 1905, casi ochenta años después, el físico teórico Albert Einstein publicó un en el que modeló el movimiento del polen como si lo movieran moléculas de agua individuales, 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 del polen". importa". Estos avances 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 y la química, pero los desarrollos más recientes en la investigación la colocan cada vez más fuera del alcance de cualquiera de estos dos campos tradicionales.

Siglo XXI

En 2002, se publicó un artículo fundamental sobre los motores brownianos en la revista Physics Today del Instituto Americano de Física, "Motores brownianos", de Dean Astumian y Peter Hänggi. Allí propusieron el entonces novedoso concepto de motores brownianos y postularon que "el movimiento térmico combinado con energía de entrada da lugar a una canalización del azar que puede utilizarse para ejercer control sobre sistemas microscópicos". Astumian y Hänggi proporcionan en su artículo una copia del libro de Wallace Stevens. Poema de 1919, El lugar de los solitarios para ilustrar elegantemente, desde una perspectiva abstracta, la naturaleza incesante del ruido.

Inspirado en el fascinante mecanismo por el que las proteínas se mueven en la cara del ruido térmico, muchos físicos están trabajando para entender los motores moleculares a escala mescópica. Una visión importante de este trabajo es que, en algunos casos, el ruido térmico puede ayudar al movimiento dirigido proporcionando un mecanismo para superar las barreras energéticas. En esos casos, se habla de “motores panecianos”. En este artículo, nos centramos en varios ejemplos que muestran algunos conceptos físicos subyacentes prominentes que han surgido. Pero primero observamos que los poetas, también, han sido fascinados por el ruido; vea el cuadro 1.

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En el mundo microscópico, “No debe haber cese / del movimiento, o del ruido del movimiento” (box 1). En lugar de combatirlo, los motores marrones aprovechan el ruido incesante para mover partículas de forma eficiente y fiable.

—Dean Astumian y Peter Hänggi, "Brownian Motors"

Un año después del artículo de Astumian-Hänggi, el grupo de química orgánica de David Leigh informó sobre los primeros motores brownianos moleculares artificiales. En 2007, el mismo equipo informó sobre un trinquete de información molecular inspirado en el demonio de Maxwell.

Otra demostración importante de nanoingeniería y nanotecnología fue la construcción de un práctico motor browniano artificial por parte de IBM en 2018. Específicamente, se creó un paisaje energético moldeando con precisión una hendidura nanofluídica, y luego se utilizaron potenciales alternativos y un campo eléctrico oscilante para "oscilar". nanopartículas 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.

Además, varias instituciones de todo el mundo, como el Nano Institute de la Universidad de Sydney, con sede en el Sydney Nanoscience Hub (SNH), y el Swiss Nanoscience Institute (SNI) de la Universidad de Basilea, son ejemplos de la actividad investigadora. emergentes 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 implican movimiento dirigido.

La investigación de la nanociencia dentro del Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) se centra en esferas 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 escala nano y identificar y aplicar nuevos principios pioneros. Esto implica a investigadores inmersos en el mundo de átomos y moléculas individuales. En este nivel, las disciplinas clásicas de la física, la biología y la química se fusionan en una. Así pues, la colaboración interdisciplinaria entre diferentes ramas de la ciencia y las instituciones es un elemento clave del trabajo cotidiano del SNI.

—Swiss Nanoscience Institute, The University of Basel Website

Teoría

El ruido térmico a nanoescala es tan grande que moverse en una dirección particular es tan difícil como “caminar en un huracán” o “nadar en melaza”. 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 se gasta energía para contrarrestar las fuerzas que producirían el 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 porque la energía química proviene de la molécula trifosfato de adenosina (ATP).

El trinquete browniano es una aparente máquina de movimiento perpetuo que parece violar la Segunda Ley de la Termodinámica, pero que luego fue desacreditada tras un análisis más detallado realizado 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 y contrarrestar el ruido térmico que intenta mover el motor en la dirección opuesta..

Debido a que los motores brownianos dependen de la naturaleza aleatoria del ruido térmico para lograr un movimiento dirigido, son de naturaleza estocástica, en el sentido de que pueden analizarse estadísticamente pero no predecirse con precisión.

Ejemplos en la naturaleza

En biología, mucho de lo que entendemos como motores moleculares basados en proteínas también pueden ser motores brownianos. Estos motores moleculares facilitan 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 humanos existen motores moleculares brownianos en forma de varios tipos diferentes de proteínas. Dos motores brownianos biomoleculares comunes son la ATP sintasa, un motor rotatorio, y la miosina II, un motor lineal. La proteína motora ATP sintasa produce un par de rotación que facilita la síntesis de ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (P_i) a través de la siguiente reacción general:

ADP + P_i + 3H⁺_salida ⇌ ATP + H₂O + 3H ⁺_en

Por el contrario, el torque producido por la miosina II es lineal y es la base del proceso de contracción muscular. Proteínas motoras similares incluyen la cinesina 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 a nanoescala, y algunas proteínas comunes de este tipo se ilustran en las siguientes imágenes generadas por computadora.

• Proteínas actuando como motores marrones dentro de las células humanas
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  ATP Synthase

• 

  Myosin II

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  Kinesin

• Dynein

Aplicaciones

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.

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 un movimiento dirigido. Estos fotomotores, a diferencia de sus homólogos naturales, son inorgánicos y poseen mayor eficiencia y velocidad media, por lo que se adaptan mejor al uso humano que las alternativas existentes, como los motores de proteínas orgánicas.

Actualmente, uno de los seis "Grandes Desafíos" del Nano Instituto de la Universidad de Sydney es desarrollar nanorobótica para la salud, uno de cuyos aspectos clave es una “fundición de piezas a nanoescala” que puede producir motores brownianos a nanoescala para el “transporte activo por el cuerpo”. El Instituto predice que entre las implicaciones de esta investigación se encuentra un "cambio de paradigma" en la atención sanitaria "lejos de la "reparación" modelo centrado en la prevención y la intervención temprana" como en el caso de las enfermedades cardíacas:

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

...

El impacto de este proyecto será amplio. Mejorará los resultados de salud para todos los australianos con enfermedades cardíacas y reducirá los costos de salud. Tiene potencial para beneficiar otros retos de salud, incluyendo cáncer, 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, cirujano cardiotorácico de adultos de prestigio internacional y destacado investigador médico, resume los beneficios de la nanorobótica en la salud.

Si pudiera minimizarme dentro del cuerpo... Podría detectar un daño precoz y tratable en sus arterias coronarias cuando tenga 25 años y evitar así su muerte prematura.

—Profesor Paul Bannon, MBBS, PhD, FRACS