Las máquinas más pequeñas del mundo

En 1983 el químico francés Jean-Pierre Sauvage y sus colaboradores construyeron el primer catenano: dos anillos entrelazados, pero con la peculiaridad de que los anillos son sendas moléculas que no están ligadas por enlaces químicos, sino por su estructura física, como los eslabones de una cadena. Los catenanos fueron el primer paso hacia la construcción de nanomáquinas. El concepto se inspira en la naturaleza: las fibras musculares o los flagelos y cilios de las bacterias son motores moleculares con piezas móviles, que funcionan cuando se les suministra energía.

El desarrollo de las nanomáquinas es un campo en expansión. En 2016 Sauvage y otros dos investigadores recibían el Nobel de Química “por el diseño y la síntesis de máquinas moleculares”; “las máquinas más pequeñas del mundo”, resumía la organización de los premios. Según la Fundación Nobel, hoy “el motor molecular está en la misma fase que el motor eléctrico en la década de 1830”. Pero se auguran inmensas aplicaciones, desde la biomedicina a los materiales inteligentes, la energía o el medio ambiente. Repasamos aquí algunos de los hitos fundamentales en la ciencia de las nanomáquinas.

Nanomáquinas naturales

La ciencia que hoy desarrolla nanomáquinas propulsadas por nanomotores se basa en el descubrimiento de este tipo de sistemas en la naturaleza. En 1973 se descubrió que los flagelos que impulsan el movimiento de muchos microorganismos están propulsados por un motor rotativo. Las células eucariotas poseen proteínas motoras que literalmente caminan sobre los filamentos del citoesqueleto, el esqueleto celular. Algunas, como las quinesinas, se encargan del transporte de cargas de sustancias en la célula. Otras, como la miosina, son responsables de la contracción muscular. Otros sistemas celulares implicados, por ejemplo, en el procesamiento del ADN y el ARN también comprenden motores moleculares y han servido de inspiración a la ciencia de las nanomáquinas.

La primera cadena molecular

El primer requisito de una máquina mecánica es que sus piezas puedan moverse entre sí. Y esto fue lo que en 1983 lograron Jean-Pierre Sauvage y sus colaboradores al sintetizar el catenano, dos moléculas circulares entrelazadas sin ningún enlace químico entre ellas, sino solo un vínculo topológico, de configuración física. En lugar de montar una reacción química confiando en que los anillos se entrelazaran al azar, como ya se había hecho, Sauvage usó un mecanismo similar al de una enzima que controla la topología de la doble hélice del ADN. El catenano de Sauvage aún no era una máquina, pero establecía el método a seguir.

Un aro con un eje

Siguiendo un método similar al de Sauvage, en 1991 el escocés Fraser Stoddart y sus colaboradores fabricaban un rotaxano. Se trata de una molécula con forma de pesas que lleva enhebrada en su eje otra molécula circular. Esta puede girar libremente como una rueda y también desplazarse a lo largo del eje, y los extremos de este —las ‘pesas’— impiden que se salga. El rotaxano de Stoddart puede considerarse la primera máquina molecular, ya que posteriormente se logró controlar el movimiento del aro a lo largo del eje; una ‘lanzadera molecular’. En 2016 Stoddart compartió el Nobel de Química con Sauvage.

Los primeros nanorrotores

En 1999 dos grupos liderados respectivamente por Ross Kelly y Ben Feringa construían sendos rotores moleculares. Publicados en el mismo número de Nature, ambos tenían aspas que se movían en una sola dirección; el de Kelly 120 grados una sola vez, propulsado por energía química, y el de Feringa 360 grados de forma continua, alimentado por luz. Feringa compartió el Nobel de Química en 2016 con Sauvage y Stoddart.

Los motores más pequeños

De cara a crear nanomáquinas capaces de moverse, es preciso construir motores a escala nanométrica. En 2011 investigadores de la Universidad Tufts (EEUU) fabricaron el que entonces era el motor eléctrico más pequeño, con un tamaño de 1 nanómetro. Consiste en una sola molécula de sulfuro de butilmetilo sobre una superficie de cobre, y que puede hacerse rotar con electrones. Frente a este motor de 18 átomos, científicos del Laboratorio Federal Suizo de Ciencia de Materiales y Tecnología lo han reducido a solo 16. Lleva un rotor de acetileno (4 átomos) y su funcionamiento cruza la barrera entre la física clásica y la cuántica. Pero aún más sorprendente es el motor de un solo átomo: creado en la Universidad de Mainz (Alemania), su núcleo es un ion de calcio que, según sus autores, funciona como un motor de explosión; se expande y se enfría, se contrae y se calienta, y convierte los cambios de temperatura en energía mecánica.

Nanocoches de carreras

En 1998 un equipo dirigido por James Gimzewski y el investigador del CNRS Christian Joachim inventó la nanorrueda, un rotor de tres aspas cuyo giro en un sentido u otro podía controlarse a voluntad. Después llegaron los nanocoches: en 2017 se celebró en Toulouse (Francia) la primera carrera internacional de coches moleculares, con la participación de seis escuderías de Francia, Suiza, Alemania, Austria-EEUU, Japón y EEUU. Los vehículos tenían chasis, ejes y ruedas, todo ello en unos 100 átomos, y corrían sobre una pista de oro en el vacío a -269 °C, bajo la observación de varios microscopios de efecto túnel. Ganó el Swiss Nano Dragster de la Universidad de Basilea, recorriendo una distancia de 133 nanómetros. En 2022 se celebró la segunda edición.

Nanosubmarinos

Los nanosubmarinos son una de las apuestas más audaces para el futuro de la biomedicina: nanomáquinas que recorran el torrente sanguíneo para llegar a lugares del organismo donde suministren fármacos o destruyan células cancerosas, entre otros usos. Un sistema creado por la Universidad de Tel Aviv (Israel) utiliza nanopartículas biológicas que conducen un ARN capaz de reprogramar o matar células enfermas. Otro nanosubmarino de la Universidad Rice (EEUU) está formado por 24 átomos y lleva un motor propulsado por luz ultravioleta que gira a más de un millón de revoluciones por minuto, alcanzando una velocidad de casi una pulgada por segundo. Un nanomotor de la Universidad de Tecnología de Eindhoven (Países Bajos) puede llevar una carga, como un fármaco, y atravesar la membrana celular.

Nanocohetes

Si existen los nanocoches y los nanosubmarinos, ¿por qué no los nanocohetes? En realidad también son submarinos, ya que se mueven en líquidos, pero en este caso utilizan el principio de los cohetes, consumir un combustible para propulsarse a chorro. Algunos de estos ingenios utilizan nanotubos de carbono como fuselaje —aunque su tamaño final es más “micro” que “nano”—, y el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) es un combustible frecuente, que desprende burbujas de oxígeno por efecto de un catalizador. Otro sistema utiliza cinc que reacciona con el medio ácido, expulsando burbujas de hidrógeno que pueden impulsar el vehículo a cien veces su longitud por segundo. Los nanocohetes se contemplan también como transportes de medicamentos en el organismo.

Nanomáquinas de ADN

La versatilidad del ADN lo convierte en un material ideal para fabricar nanomáquinas: forma largas cadenas y se une a secuencias complementarias, lo que da ocasión de usar estas propiedades para fabricar ‘nubots’, o ‘nanobots’ de ácidos nucleicos. Esta tecnología ha servido para fabricar nanopinzas capaces de agarrar moléculas, o andadores que caminan sobre vías de ADN. Un sistema creado por un equipo de varias universidades de EEUU consiste en un acróbata de ADN que avanza dando volteretas, multiplicando la velocidad de los andadores entre 10 y 100 veces.