Motor browniano

Los 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, el desplazamiento aleatorio de partículas suspendidas en un fluido (un líquido o un gas) resultante de su colisión con las moléculas de movimiento rápido en el fluido.

A escala nanoscópica (1-100 nm), el efecto de la viscosidad domina al de 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 con 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, solo son viables a escala nanoscópica.

El concepto de motores brownianos data de finales del siglo XX. El término fue acuñado en 1995 por Peter Hänggi, pero la existencia de tales motores en la naturaleza puede tener un origen muy remoto, y serviría para explicar procesos celulares cruciales que requieren movimiento a escala nanoscópica, como la biosíntesis proteica y la contracción muscular. Si este es el caso, los motores brownianos pueden tener implicaciones para comprender los cimientos de la propia vida.

Se lleva tiempo intentado aplicar los conocimiento sobre los motores brownianos naturales a la resolución de distintos problemas. Sus aplicaciones son obvias en nanorrobótica debido a la dependencia inherente de esta disciplina 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, como los fenómenos del movimiento browniano que sustentaron su teoría subyacente, también recibió su nombre del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown, quien en 1827 describió el movimiento aleatorio en el agua de las partículas de polen de la planta Clarkia pulchella observado con un microscopio. En 1905, casi ochenta años después, Albert Einstein publicó un artículo donde modeló el movimiento del polen considerando que era generado por el choque de moléculas de agua individuales. El efecto fue verificado experimentalmente por Jean Perrin en 1908, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1926 "por su trabajo sobre la estructura discontinua de la materia". Estos desarrollos ayudaron a crear los fundamentos de las teorías actuales del mundo nanoscópico.

La nanotecnología ha permanecido tradicionalmente durante mucho tiempo en la intersección de la física y de la química, pero los desarrollos de la investigación en este campo se sitúan cada vez más fuera del alcance de cualquiera de estas dos disciplinas tradicionales.

Siglo XXI
En 2002, Dean Astumian, profesor de física en la Universidad de Maine (Orono), y Peter Hänggi, profesor de física teórica en la Universidad de Augsburgo (Alemania), publicaron un artículo fundamental titulado "Motores Brownianos" en la revista del Instituto Estadounidense de Física Physics Today. Allí, propusieron el entonces novedoso concepto de motores brownianos y postularon que "el movimiento térmico combinado con la energía de entrada da lugar a una canalización del azar que puede usarse para ejercer el control sobre sistemas microscópicos". Astumian y Hänggi incluyeron en su artículo un poema de Wallace Stevens de 1919 titulado "The Place of the Solitaires" (El lugar de los solitarios), para ilustrar elegantemente, desde una perspectiva abstracta, la naturaleza incesante del ruido.

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 Demonio de Maxwell.

Otra demostración importante de nanoingeniería y nanotecnología fue la construcción de un práctico motor browniano artificial por IBM en 2018. Específicamente, se creó un dispositivo energético al dar forma con precisión a una rendija nanofluídica, y luego se utilizaron potenciales alternos y un campo eléctrico oscilante para producir un movimiento de balanceo en nanopartículas con el fin de dotarlas de un movimiento dirigido. El experimento hizo que las nanopartículas se movieran con éxito en 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 escala nanoscópica.

Además, diversas instituciones alrededor del mundo, como el Nano Institute de la Universidad de Sídney, con sede en el Sydney Nanoscience Hub (SNH), y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) en la Universidad de Basilea, son ejemplos de la actividad investigadora emergente 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 nanotecnologías útiles que implican movimiento dirigido.

Teoría

El ruido térmico a escala nanoscópica es tan grande que moverse en una dirección particular es tan difícil como “caminar en un ciclón tropical” o “nadar en melaza”. El funcionamiento teórico del motor browniano se puede explicar mediante la teoría del trinquete, en la que se permite que fluctuaciones térmicas aleatorios fuertes muevan la partícula en la dirección deseada, mientras que se gasta algo de energía para contrarrestar las fuerzas que producirían movimiento en el sentido opuesto. Este movimiento puede ser tanto lineal como rotativo. En el sentido biológico y en la medida en que este fenómeno aparece en la naturaleza, el proceso es posible gracias a la disponibilidad de energía química que se obtiene de la molécula del adenosín trifosfato (ATP).

El trinquete browniano es un móvil perpetuo aparente que parece violar el segundo principio de la termodinámica, que luego fue desacreditado tras un análisis más detallado por Richard Feynman y otros físicos. La diferencia entre los motores brownianos reales y el trinquete browniano ficticio 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 intentan mover el motor en la dirección opuesta.

Debido a que los motores brownianos se basan en la naturaleza aleatoria del ruido térmico para obtener un movimiento dirigido, son de naturaleza estocástica, ya que pueden analizarse estadísticamente pero no predecirse con precisión.

Ejemplos en la naturaleza
En biología, gran parte de lo que se entiende que son proteínas basadas ​​en motores moleculares también pueden ser motores brownianos. Estos motores moleculares hacen posibles procesos celulares críticos en los seres vivos y, de hecho, son fundamentales para la vida en sí misma.

Los investigadores han logrado avances significativos en términos de examinar estos procesos biológicos con el fin de obtener una idea de su funcionamiento interno. Por ejemplo, en los seres humanos existen motores brownianos moleculares en forma de varios tipos diferentes de proteínas. Dos motores brownianos biomoleculares comunes son la ATP sintasa, un motor rotativo, y la miosina, un motor lineal. La proteína motora ATP sintasa produce un momento de giro que facilita la síntesis del adenosín trifosfato (ATP) a partir del adenosín difosfato (ADP) y fosfato inorgánico (Pi) a través de la siguiente reacción general:

 ADP + Pi + 3H+out ⇌ ATP + H2O + 3H+in

En contraste, el momento producido por la miosina es lineal y es la base del proceso de contracción muscular. Proteínas motoras similares son 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 escala nanoscópica, y algunas proteínas comunes de este tipo se ilustran en las siguientes imágenes generadas por ordenador.

Aplicaciones

Nanorrobótica
La relevancia de los motores brownianos para satisfacer el requisito de disponer de movimiento dirigido en nanorrobótica 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 ejemplos tomados de la naturaleza, pero difiere de ella en distintos aspectos. Un tipo específico es el fotomotor, en el que se conmutan estados de agregación debido a los pulsos de luz y se genera un movimiento dirigido. Estos fotomotores, a diferencia de sus equivalentes naturales, son inorgánicos y poseen una mayor eficiencia y velocidad promedio, por lo que se adaptan mejor al uso humano que las alternativas existentes, como los motores de proteínas orgánicos.

Uno de los seis "Grandes desafíos" del Nano Instituto de la Universidad de Sídney es desarrollar nanorobótica para el ámbito sanitario, un aspecto clave del cual es desarrollar un procedimiento de "fundición nanoscópica de piezas" para producir motores brownianos con capacidad para el "desplazamiento activo en el interior del cuerpo humano". El Instituto predice que entre las implicaciones de esta investigación está un "cambio de paradigma" en la asistencia sanitaria, "alejándose del modelo de «romper y arreglar» hacia un enfoque basado en la prevención y la intervención temprana", como en el caso de las enfermedades cardiovasculares:

El profesor Paul Bannon, un cirujano cardiotorácico de prestigio internacional y líder en investigación médica, resume los beneficios de la nanorobótica en la salud:

Véase también

 Máquina molecular
 Motor molecular
 Movimiento browniano
 Trinquete browniano
 Nanoingeniería
 Nanorrobótica
 Robert Brown
 Peter Hänggi

Referencias

Enlaces externos
 
 
 
 
 
 
 motor browniano en arxiv.org
 

Nanotecnología
Termodinámica