Síntesis química: nuevo método generalizable para la formación mecánica de estructuras moleculares tridimensionales
Nuevas posibilidades para el diseño de materiales innovadores
Los hilos o cuerdas pueden utilizarse fácilmente para trenzar, anudar y tejer. En química, sin embargo, procesar hebras moleculares de este modo es una tarea casi imposible. Esto se debe a que las moléculas no sólo son diminutas, sino que están en constante movimiento y, por tanto, no se pueden tocar, sujetar o moldear con precisión.
Un grupo de investigación del Instituto de Química de la Universidad Humboldt de Berlín (HU), dirigido por el Dr. Michael Kathan, ha conseguido enrollar con precisión dos filamentos moleculares mediante un motor molecular artificial accionado por luz, creando así una estructura especialmente compleja: un catenano (del latín "catena" = cadena). Los catenanos están formados por dos moléculas en forma de anillo que se entrelazan como los eslabones de una cadena, sin estar unidas químicamente entre sí. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Science.
Un nanomotor aporta un nuevo tipo de control mecánico al mundo de las moléculas
"Lo que hemos desarrollado es básicamente una minimáquina que funciona con luz y gira en una dirección", explica Michael Kathan. "Utilizamos este movimiento controlado para enrollar mecánicamente dos hebras moleculares y conectarlas, independientemente de si lo harían por sí solas o no. Nuestro motor aporta ahora al mundo de las moléculas un tipo de control mecánico que antes sólo conocíamos del mundo macroscópico."
El nuevo método puede formar una gran variedad de estructuras tridimensionales específicas
En química sintética, hasta ahora resultaba extremadamente difícil entrelazar moléculas de forma específica, sobre todo si esta disposición contradecía el proceso natural de autoorganización molecular. En la naturaleza, las moléculas están en constante movimiento y pueden formar estructuras tridimensionales en este proceso. Los componentes estructurales de las células, como las proteínas o la molécula genética ADN, se ensamblan de este modo. Sin embargo, no suelen ser estructuras fijas y permanentes. En el laboratorio se han utilizado a menudo plantillas moleculares para definir estructuras específicas, pero normalmente sólo funcionan con determinadas moléculas. El nuevo método adopta un enfoque diferente: la máquina molecular artificial puede forzar a una amplia variedad de moléculas a formar estructuras tridimensionales definidas con precisión. Impulsado por la luz, el motor giratorio genera a cada paso una torsión definida mecánicamente, que luego se fija químicamente. El movimiento es direccional y programable. "Nuestro método es el primero sin plantillas que permite un control mecánico tan preciso y, además, es fácilmente generalizable", afirma Michael Kathan.
Nuevas posibilidades para el diseño de materiales innovadores
Los catenanos sintetizados en el laboratorio con el nuevo método se consideran los bloques de construcción fundamentales para estructuras mecánicamente entrelazadas, como cadenas moleculares, tejidos o redes. El estudio demuestra por primera vez que tales estructuras pueden producirse en principio a partir de moléculas muy diferentes y proporciona así un enfoque conceptual fundamental y generalizable: las arquitecturas complejas y definidas mecánicamente son técnicamente factibles a nivel molecular. Esto amplía el alcance de la síntesis química y abre la puerta al diseño de materiales completos a partir de moléculas entrelazadas mecánicamente. Estos materiales poseerían propiedades únicas: gran flexibilidad combinada con una robustez excepcional gracias a su arquitectura molecular.
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