Tornillo de Arquímedes fabricado con una sola molécula
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Un equipo internacional de físicos ha desarrollado, por primera vez, una «máquina» molecular basada en el principio del tornillo de Arquímedes. La molécula helicoidal entra en rotación gracias a una corriente eléctrica. Cuando la rotación alcanza una determinada velocidad, la corriente aumenta bruscamente hasta cien veces. El grupo de investigación del profesor Dr. Fabian Pauly, de la Universidad de Augsburgo, utilizó simulaciones por ordenador basadas en la mecánica cuántica para explicar los efectos observados. Los resultados se han publicado en la revista Nature.
Las máquinas moleculares se consideran el siguiente paso en la miniaturización. Sus modelos se encuentran en las células vivas, donde los motores moleculares convierten la energía y generan movimiento. Los científicos llevan décadas trabajando para replicar artificialmente dichos sistemas. El Premio Nobel de Química de 2016 se concedió por esta investigación.
Un modelo de la Antigüedad
Los motores moleculares accionados directamente por corriente eléctrica existen desde 2011. Sin embargo, hasta ahora solo habían funcionado como moléculas sobre una superficie, impulsadas por la punta de un microscopio de efecto túnel.
Para su nueva máquina, los investigadores se inspiraron en una de las máquinas más antiguas de las que se tiene constancia: el tornillo de Arquímedes, que transporta agua cuesta arriba. Los investigadores aplicaron el principio del tornillo de Arquímedes a nivel molecular. En lugar de agua, los electrones fluyen a través de una estructura helicoidal, lo que la pone en rotación.
Un tornillo molecular entre dos puntas de oro
En el corazón de la máquina se encuentra una molécula helicoidal, producida específicamente para el estudio por el equipo del profesor Michael Pittelkow de la Universidad de Copenhague. La molécula, que mide apenas unas millonésimas de milímetro, puede unirse a superficies de oro a través de átomos de azufre. En el Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, el equipo dirigido por el profesor Oren Tal y el doctor Anil Kumar Singh tensó moléculas individuales entre dos puntas de oro de tamaño atómico. Ajustando con precisión la distancia entre los electrodos, los investigadores lograron estirar o comprimir el tornillo molecular.
Primer motor molecular con dirección de rotación controlable
Las mediciones revelaron que la molécula gira cuando se le aplica tensión eléctrica. La dirección de rotación era inequívoca y podía invertirse cambiando la polaridad de la tensión. Así, el estudio demuestra, por primera vez, la existencia de un motor molecular impulsado por corriente con una dirección de rotación controlable que está firmemente fijado a dos electrodos metálicos.
El movimiento es impulsado por los propios electrones. A medida que fluyen a través de la molécula helicoidal, le transfieren momento angular, de forma muy similar a como el viento impulsa una turbina eólica. La dirección viene determinada por la espiral de la molécula, al igual que ocurre con un tornillo de rosca a la derecha o a la izquierda. Por encima de una determinada tensión, este movimiento se transforma en una rotación continua.
Los cálculos de Augsburgo desentrañan el mecanismo
Pero, ¿por qué una molécula en rotación conduce la electricidad significativamente mejor que una estacionaria? El Prof. Dr. Fabian Pauly y sus doctorandos Léon Martin y Yuta Ito, de la Cátedra de Física Teórica I de la Universidad de Augsburgo, investigaron esta cuestión mediante simulaciones de mecánica cuántica en el superordenador LiCCA. Sus cálculos demostraron que la rotación de la molécula está estrechamente relacionada con su conductividad. La conductividad depende en gran medida del ángulo de rotación de la molécula y puede aumentar hasta en dos órdenes de magnitud durante la rotación.
«Lo sorprendente es que son precisamente las posiciones que la molécula evita cuando está en reposo las que mejor conducen la electricidad. Solo la rotación hace que estas posiciones sean accesibles», explica Léon Martin.
Colaboración internacional para el éxito de la investigación
Partiendo de estos hallazgos, los colaboradores teóricos Per Hedegård, del Instituto Niels Bohr de Copenhague, y Jing-Tao Lü, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en Wuhan, desarrollaron un modelo simplificado que reprodujo con éxito la rotación observada experimentalmente y el aumento de la corriente.
«En el experimento solo se observa la corriente. Nuestros cálculos nos permiten vislumbrar lo que ocurre en el interior del nanocontacto. Solo gracias a la estrecha colaboración entre la experimentación y la teoría en varios países se ha podido resolver el misterio del aumento de la corriente», afirma Yuta Ito, un estudiante de doctorado originario de Japón.
Implicaciones para futuras aplicaciones
El descubrimiento tiene potencial para los componentes electrónicos moleculares, así como para aplicaciones en espintrónica y sistemas microfluídicos. Además, estas máquinas en miniatura ofrecen nuevas oportunidades para investigar procesos físicos a escala atómica. «Hemos demostrado que se puede utilizar una corriente eléctrica para generar una rotación dirigida y que esta rotación, a su vez, controla la corriente. Se trata de un nuevo principio de funcionamiento para máquinas que se sitúan en los límites mismos de la miniaturización», explica Pauly.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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