DISPOSITIVOS Y MQUINAS MOLECULARESEl diseo de abajo hacia
arriba, construccin y operacin de dispositivos y mquinas en la
escala molecular es un tema de gran inters en la nanociencia y un
reto fascinante para la nanotecnologa. Especies hechas de
componentes moleculares entrelazados son los candidatos ms
atractivos para estos fines. En los ltimos tiempos, la evolucin del
diseo estructural y funcional de estos sistemas ha llevado a la
construccin y el funcionamiento de los dispositivos y mquinas
moleculares complejas que, en algunos casos, son capaces de
realizar tareas especficas.El progreso de la civilizacin humana
siempre se ha relacionado con la construccin de nuevos dispositivos
y mquinas. Dependiendo de su uso, los dispositivos y las mquinas
puede ser muy grande o muy pequeo. La tendencia general en nuestra
"era del conocimiento" es el de reducir el tamao y peso de los
componentes empleados tanto como sea posible, sobre todo en el
campo de la tecnologa de la informacin.La miniaturizacin de los
componentes para la construccin de dispositivos y mquinas se
persigue en la actualidad por un enfoque "de arriba abajo". Este
enfoque, que est en manos de los fsicos e ingenieros, consiste en
la manipulacin de piezas cada vez ms pequeas de la materia mediante
fotolitografa y tcnicas relacionadas. Aunque los dispositivos
semiconductores de 65 nm ya estn en el mercado y los dispositivos
de 45 nm se ha informado, va quedando claro que el enfoque de
arriba hacia abajo est sujeto a limitaciones drsticas, incluyendo
una escalada grave costo cuando los componentes se acercan a la
dimensin nanomtrica. Pero "hay un montn de espacio en la parte
inferior" para una mayor miniaturizacin, como Richard P. Feynman
afirm en su famoso discurso a la American Physical Society el 29 de
diciembre de 1959. Para avanzar hacia la miniaturizacin en la
escala nanomtrica, la ciencia y la tecnologa que necesite encontrar
nuevos caminos. Una prometedora estrategia para aprovechar la
ciencia y la tecnologa a escala nanomtrica es el enfoque "de abajo
arriba", que comienza a partir de objetos a escala nano o subnano
(es decir, tomos o molculas) para construir nanoestructuras.DE
ABAJO HACIA ARRIBA, TOMO POR TOMOLa idea de que los tomos podan ser
usados para construir mquinas a escala nanomtrica se plante por
primera vez por Feynman ("Los principios de la fsica no hablan en
contra de la posibilidad de maniobrar las cosas tomo por tomo") y
se representa de una manera visionaria a mediados de la dcada de
1980 por K. Eric Drexler. Afirm que sera posible construir un
propsito 'nanorobot "general, apodado un ensamblador. Tal
dispositivo podra, en principio, construir casi cualquier cosa,
tomo por tomo, incluyendo copias de s mismo. La fascinante pero,
sin duda, las ideas abstractas de Drexler son vistos con
escepticismo por una gran parte de la comunidad cientfica.En
particular, el concepto de un ensamblador universales, es decir, un
nanorobot que puede manipular y construir cosas tomo por tomo, es
considerada poco realista por al menos tres razones bien fundadas:
(i) los dedos de un brazo manipulador hipottica debera tener amplia
hecha de tomos, lo que implica que seran demasiado gordo para tener
el control de la qumica en la regin nanmetros; (ii) dichos dedos
tambin seran demasiado pegajosa - los tomos de las manos del
manipulador se adhieren al tomo que se est moviendo, de manera que
sera imposible para colocarlo en la posicin deseada; (iii) el
temblor continuo para que todas las estructuras a nanoescala est
sujeta a causa de colisiones con las molculas circundantes
impediran nanoingeniera precisa. Por lo tanto, la idea de un
enfoque tomo por tomo de abajo hacia arriba a la nanotecnologa, que
parece tan atractivo para los fsicos, no convence a los qumicos que
son muy conscientes de la alta reactividad de la mayora de especies
atmicas, los aspectos sutiles del enlace qumico, y las propiedades
de las molculas. Hay que reconocer, sin embargo, que las ideas
visionarias de Drexler han tenido por lo menos el mrito de llamar
la atencin de los no cientficos e influenciar a muchos cientficos a
dirigir sus proyectos de investigacin hacia el fascinante mundo de
la nanotecnologa.DE ABAJO HACIA ARRIBA MOLCULA POR MOLCULAA finales
de 1970, en el marco de la investigacin sobre la qumica
supramolecular, los estudios sobre los dispositivos electrnicos
moleculares comenzaron a florecer y la idea surgi en unos pocos
laboratorios que las molculas podran ser bloques de construccin
mucho ms conveniente que los tomos para construir dispositivos a
nanoescala y mquinas. Esta idea se basa en los siguientes puntos:
(i) molculas son especies estables, mientras que los tomos son
difciles de manejar; (ii) la naturaleza utiliza molculas no tomos
para construir la gran cantidad y variedad de nanodispositivos y
nanomquinas que sustentan la vida; (iii) la mayor parte de
laboratorio procesos qumicos acuerdo con las molculas, los tomos
no; (iv) molculas son objetos que ya exhiben formas distintas y
llevan a propiedades relacionadas con el dispositivo (por ejemplo,
propiedades que pueden ser manipulados por las entradas fotoqumicos
y electroqumicos); y (v) molculas se auto-ensamblan o se pueden
conectar para hacer estructuras ms grandes.En los aos siguientes,
la qumica supramolecular creci muy rpidamente y se hizo evidente
que el enfoque de abajo hacia arriba supramolecular abre
posibilidades prcticamente ilimitadas (Fig. 1) en relacin con el
diseo y construccin de dispositivos y mquinas moleculares
artificiales. Por otra parte, se hizo cada vez ms evidente que este
enfoque podra hacer valiosas contribuciones a nuestra comprensin de
los aspectos moleculares de los dispositivos extremadamente
complicados y mquinas que se encargan de los procesos biolgicos.
Estos sistemas constituyen, de hecho, una manifestacin directa de
la viabilidad y la utilidad de la nanotecnologa.
Fig. 1 Two examples of complex and beautiful artificial
multicomponent molecules. (a) A coordination cage obtained25 by
self-assembly of four triazine-based bridging ligands and six
Pd(diamine) complexes. (b) Molecular borromean rings, synthesized26
by using, in concert, coordination, supramolecular, and dynamic
covalent chemistry. (Crystal structure courtesy of J. Fraser
Stoddart, University of California, Los Angeles.)
DISPOSITIVOS Y MQUINASEn el mundo macroscpico, dispositivos y
mquinas son conjuntos de componentes diseados para lograr una
funcin especfica. Cada componente del conjunto lleva a cabo un acto
simple, mientras que todo el conjunto realiza una ms compleja, la
funcin de utilidad, caracterstica de ese dispositivo o mquina en
particular. Por ejemplo, la funcin realizada por un secador de pelo
es el resultado de las operaciones realizadas por un interruptor,
un calentador y un ventilador, adecuadamente conectados por medio
de cables y montado en un marco adecuado. Los conceptos
macroscpicos de un dispositivo y una mquina pueden ser extendidos a
nivel molecular. Un dispositivo molecular puede definirse como un
conjunto de un nmero discreto de los componentes moleculares
diseados para lograr una funcin especfica. Cada componente
molecular realiza un solo acto, mientras que todo el conjunto
supramolecular realiza una funcin ms compleja, que resulta de la
cooperacin de los diversos componentes. Una mquina molecular es un
tipo particular de dispositivo molecular en la que las partes
componentes pueden mostrar cambios en sus posiciones relativas como
resultado de algn estmulo externo. Dispositivos de nivel molecular
y mquinas operan a travs de reordenamientos electrnicos y / o
nucleares y, como dispositivos macroscpicos y mquinas, necesitan
energa para funcionar y seales para comunicarse con el operador. La
extensin de los conceptos de un dispositivo y una mquina a nivel
molecular son de inters no slo para la investigacin bsica, sino
tambin para el crecimiento de la nanociencia y el desarrollo de la
nanotecnologa.Cabe sealar que los dispositivos a nanoescala y
mquinas no pueden ser considerados simplemente como "encogido"
versiones de contrapartes macroscpicas porque la fsica es diferente
en la nanoescala. Varios fenmenos en la nanoescala se rigen por las
leyes de la mecnica cuntica y, lo ms importante, algunas de las
propiedades intrnsecas de las entidades de nivel molecular son muy
diferentes de las de los objetos macroscpicos. Por ejemplo: (i)
molculas estn en un estado de movimiento aleatorio constante y son
sometidos a continuas colisiones (movimiento browniano); (ii) en el
nanomundo, las cosas son un poco flojo y se adhieren fuertemente
entre s debido a las interacciones electromagnticas; y (iii) las
dimensiones de las molculas son mucho ms pequeas que las longitudes
de onda de la luz utilizada para el suministro de energa o para
obtener informacin.El enfoque (fsico) de arriba hacia abajo ha
permitido la construccin de una variedad de dispositivos
microelectrnicos de estado slido y sistemas microelectromecnicos.
Ahora se espera que el enfoque de abajo hacia arriba (qumica) se
mover la ciencia y la tecnologa no slo desde el micro a nanoescala,
sino tambin desde la electrnica a la fotnica y chemionics desde
entradas de luz y qumicas son formas convenientes a los
dispositivos moleculares de energa y al cambio informacin a nivel
molecular. Adems, el enfoque de abajo hacia arriba, que se inspira
en los dispositivos a nanoescala natural, podra desplazar el inters
de los cientficos del estado slido a la solucin y la materia
blanda.EL SUMINISTRO DE ENERGA, EL INTERCAMBIO DE SEALES, Y OTRAS
CARACTERSTICASDispositivos moleculares y las mquinas son sistemas
qumicos y por lo tanto operan por medio de reacciones qumicas que,
en trminos generales, implican ambos reordenamientos electrnicos y
nucleares. En algunos casos, sin embargo, la funcin realizada se
basa esencialmente en la transferencia de electrones o energa
electrnica sin reordenamientos nucleares sustanciales. En otros
casos, la operacin se basa en la aparicin de desplazamientos ms o
menos extensa nucleares causados por reordenamientos electrnicos.
Como en el mundo macroscpico, dispositivos de nivel molecular y
mquinas necesitan energa para funcionar y seales para comunicarse
con el operador. La energa necesaria para el funcionamiento de un
dispositivo o mquina molecular se puede suministrar en la forma de
(i) un reactivo qumico, (ii) un fotn absorbido, o (iii) adicin o
sustraccin de un electrn. En vista de la escasez de combustibles
qumicos y el aumento de los problemas ambientales, la fuente de
energa primaria ideal es la luz solar y los procesos ms valiosos
son aquellos que no forman productos de desecho. De hecho, incluso
en una sociedad basada en el conocimiento del consumo de recursos
energticos no renovables y la acumulacin de residuos seguir
planteando problemas muy difciles.Con el fin de controlar y
supervisar el funcionamiento de un dispositivo molecular o de la
mquina, se necesita una seal adecuada. Desde por lo menos un
componente molecular del sistema cambia de estado en la realizacin
de la funcin requerida, cualquier seal relacionada con tales
cambios de componentes se puede utilizar. Respecto a este, una
variedad de tcnicas qumicas y fsicas puede ser valiosa. Con mayor
frecuencia, el control del estado del sistema se realiza por un
mtodo espectroscpico (resonancia magntica nuclear o RMN, absorcin
ultravioleta-visible, luminiscencia, etc.). Para algunos sistemas,
por ejemplo, los basados en interacciones donador-aceptor, la
electroqumica se puede emplear de forma rentable.Desde un
dispositivo y una mquina tienen que trabajar mediante la repeticin
de ciclos, un requisito importante es reset. Esto significa que
cualquier reaccin qumica involucrada en la operacin tiene que ser
reversible. Aunque no hay reaccin qumica es completamente
reversible, este requisito se cumple razonablemente bien por
transferencia de energa, transferencia de electrones (redox), y los
procesos de transferencia de protones (cido-base), y por algunos
tipos de fotoisomerizacin y las reacciones de coordinacin de
metal-ligando.La escala de tiempo de funcionamiento de un
dispositivo molecular y la mquina puede variar desde menos de
picosegundos al da, dependiendo de la naturaleza de los procesos
implicados. Energa, electrones, y los procesos de transferencia de
protones, y reacciones de isomerizacin puede ser muy rpido, pero
los movimientos grandes y complejas de partes componentes pueden
ser mucho ms lento. Informacin sobre las constantes de velocidad se
puede conseguir por mtodos cinticos convencionales en el caso de
procesos lentos, por la electroqumica y se detuvo tcnicas de flujo
para procesos relativamente rpidos, y por espectroscopia de flash
(en diferentes escalas de tiempo) para procesos muy rpidos.Las
funciones que pueden ser realizadas por dispositivos moleculares y
mquinas son varias. Ellos pueden estar relacionados con la seal de
transferencia (en la forma de energa, electrones, protones, etc.),
procesamiento de la informacin (por ejemplo, puertas lgicas a nivel
molecular), la conversin de energa (por ejemplo,la conversin de la
luz en un potencial electroqumico o un combustible qumico), y una
amplia gama de aspectos mecnicos como (por ejemplo, el transporte
de una carga a travs de una membrana).En un intento de desarrollar
un conjunto de componentes a nivel molecular para procesamiento de
la informacin, las especies qumicas capaces de imitar la funcin de
los cables, interruptores, memorias, sensores, antenas, toma de
corriente y sistemas de cable de extensin, y puertas lgicas en la
nanoescala se han reportado. En particular, el estudio de especies
moleculares capaces de realizar operaciones lgicas binarias podra
conducir a aplicaciones prcticas, tales como el etiquetado de
objetos muy pequeos y, a largo plazo, para el diseo y construccin
de un ordenador molecular. Vale la pena sealar que todas las
operaciones lgicas fundamentales se han implementado con sistemas
moleculares, lo que lleva a la reciente demostracin de laboratorio
de aritmtica binaria con dispositivos de sumador completo y
restador completo moleculares. Estos sistemas, que emplean la luz,
molculas e iones como seales de entrada / salida, operan en solucin
y se inspiran en el procesamiento de informacin en los organismos
vivos.Independientemente de la posibilidad de aplicaciones a corto
plazo, el desarrollo de un conjunto de dispositivos de nivel
molecular y mquinas parece ser una buena inversin. Muchos
comentarios sobre este tema estn disponibles y una monografa
exhaustiva ha sido publicado. En esta revisin, algunos logros
recientes en el campo sern ilustrados, usando ejemplos recientes de
mquinas moleculares tomados de nuestro propio trabajo en
colaboracin con el grupo de J. Fraser Stoddart en la Universidad de
California, Los Angeles.
MOLCULAS MECNICAMENTE ENTRELAZADA COMO MQUINAS A ESCALA
NANOMTRICAEn principio, las mquinas moleculares pueden ser diseados
a partir de varios tipos de sistemas moleculares y
supramoleculares, incluyendo el ADN (vase la revisin de Tim Liedl
et al., En la pgina de esta edicin). Sin embargo, por las razones
que se mencionan a continuacin, la mayora de los sistemas
artificiales construidos hasta el momento se basan en especies
moleculares entrelazados como rotaxanos, catenanos y especies
afines. Los nombres de estos compuestos se derivan de las palabras
del latn rota y el eje de la rueda y el eje, y cadena para la
cadena. Rotaxanos se componen de una molcula con forma de mancuerna
rodeado de un compuesto macrocclico(el "anillo") y terminado por
grupos voluminosos ('tapones') que impiden el desmontaje (Fig. 2a,
2b). Catenanos estn hechas de (al menos) dos macrociclos
entrelazados (Fig. 2c). Las caractersticas importantes de estos
sistemas se derivan de interacciones no covalentes entre los
componentes que contienen sitios de reconocimiento complementarias.
Tales interacciones, que tambin son responsables de la sntesis
dirigida por moldes eficientes de rotaxanos y catenanos, incluyen
de transferencia de carga (CT) la capacidad, enlaces de hidrgeno,
hidrfilo-hidrfobo carcter, apilamiento -, fuerzas electrostticas y,
en el caso de interacciones ms fuerte, la unin
metal-ligando.Rotaxanos y catenanos son sistemas para la
construccin de mquinas moleculares atractivas porque (i) la unin
mecnica permite una gran variedad de acuerdos mutuos de los
componentes moleculares, mientras que confiere estabilidad al
sistema; (ii) la arquitectura de enclavamiento limita la amplitud
del movimiento intercomponent en las tres direcciones; (iii) la
estabilidad de una disposicin especfica (co-conformacin) est
determinada por la fuerza de las interacciones entre componentes; y
(iv) las interacciones pueden ser modulados por la estimulacin
externa. Los movimientos de gran amplitud que pueden lograrse con
rotaxanos y catenanos estn representados esquemticamente en la Fig.
2. En particular, dos movimientos moleculares interesantes pueden
preverse en rotaxanos, a saber, (i) la traduccin, es decir, yendo y
viniendo, del anillo a lo largo del eje, y (ii) la rotacin del
anillo alrededor del eje. Por lo tanto, rotaxanos son buenos
prototipos para la construccin de ambos motores moleculares
lineales y rotativos. Sistemas de tipo (i), denominados lanzaderas
moleculares (Fig. 2A), constituyen la aplicacin ms comn del
concepto de mquina molecular con rotaxanos.LANZADERAS Y ASCENSORES
MOLECULARES QUMICAMENTE CONTROLABLESDesde el primer ejemplo,
informaron en 199.480, muchas lanzaderas moleculares controlables
que dependen de la qumica, electroqumica, y la estimulacin
fotoqumica se han descrito. Un sistema impulsado qumicamente con
buen desempeo en trminos de la conmutacin y la estabilidad es el
compuesto 1-H3+ (Fig. 3). Est hecho de un componente que contiene
una pesa de gimnasia de amonio y un aceptor de electrones
4,4'-bipiridinio unidades que pueden establecer enlaces de hidrgeno
y las interacciones CT, respectivamente, con el componente de
anillo de dibenzo-24-corona-8 (DB24C8), una corona ter con
propiedades donantes de electrones. Un resto antraceno se utiliza
como un tapn debido a su absorcin, luminiscencia, y las propiedades
redox son tiles para controlar el estado del sistema. Dado que las
interacciones N + -H O de enlaces de hidrgeno entre el anillo
macrocclico y el centro de amonio son mucho ms fuertes que las
interacciones de TC del anillo con la unidad de bipiridinio, la
rotaxano existe como slo uno de los dos posibles ismeros
traduccionales (Fig. 3a, estado 0). La desprotonacin del centro de
amonio de 1-H3+ con una base (Fig. 3b) debilita las interacciones
de enlaces de hidrgeno y provoca el desplazamiento cuantitativa del
anillo DB24C8 por el movimiento browniano a la unidad de
bipiridinio (Fig. 3c, estado 1). Reprotonacin de 1+ con un cido
(Fig. 3d) dirige el anillo en el centro de amonio. Este proceso de
conmutacin se ha investigado en solucin por espectroscopa de 1H RMN
y por mediciones electroqumicas y fotofsicas. Recientemente, tambin
se han estudiado la cintica de anillo yendo y viniendo en solucin y
las propiedades de las pelculas Langmuir- Blodgett que contienen
1-H3+. La reversibilidad qumico completo de las reacciones
cido-base de suministro de energa garantiza la reversibilidad del
movimiento mecnico a pesar de la formacin de productos de desecho.
Observe que este rotaxano es un sistema biestable y, en principio,
se podra utilizar para almacenar informacin binaria.
Mediante la incorporacin de las caractersticas arquitectnicas de
la cido-base rotaxano conmutable 1-H3+ (Fig. 3) en los de un haz
supramolecular de dos componentes triplemente roscado, se dise y
construy un dispositivo de dos componentes molecular, 2-H3 9+ (Fig
. 4a), que se comporta como un elevador de nanoescala. Este
nanomquina, que es ~ 2,5 nm de altura y tiene un dimetro de ~ 3.5
nm, consiste en un componente trpode contiene dos muescas
diferentes - un centro de amonio y una unidad de 4,4-bipiridinio -
a diferentes niveles en cada uno de sus tres patas. Este ltimo est
entrelazado por un anfitrin tritopic, que desempea el papel de una
plataforma que puede hacerse para detener en los dos niveles
diferentes. Las tres patas del trpode tienen pies voluminosos que
impiden la prdida de la plataforma. Inicialmente, la plataforma
reside exclusivamente en el nivel "superior", es decir, con los
tres anillos que rodean los centros de amonio (Fig. 4B, estado 0).
Esta preferencia resulta de gran N + -H O enlaces de hidrgeno y
dbiles fuerzas de estabilizacin de apilamiento - entre los ncleos
aromticos de los componentes de la plataforma y del trpode. Despus
de la adicin de una base fuerte, fosfaceno no nuclefila a una
solucin en acetonitrilo de 2-H3 9+, la desprotonacin del centro de
amonio se produce y, como resultado, la plataforma se mueve hasta
el nivel "inferior", es decir, con los tres DB24C8 anillos que
rodean las unidades bipiridinio (Fig. 4c, estado 1). Esta
estructura se estabiliza principalmente por interacciones entre las
unidades CT aromticos ricos en electrones de la plataforma y las
unidades de bipiridinio deficientes en electrones del componente de
trpode. La posterior adicin de cido a 26+ restaura los centros de
amonio y la plataforma se mueve hacia atrs al nivel superior. El
'arriba y abajo' de movimiento del ascensor similares, que
corresponde a una conmutacin cuantitativa y se puede repetir muchas
veces, se puede monitorizar mediante espectroscopa de RMN de 1H, la
electroqumica, y la absorcin y la espectroscopia de fluorescencia.
El ascensor molecular opera en solucin, es decir, sin control de la
orientacin de las molculas con respecto a un sistema de referencia
fijo. Por lo tanto, en el presente contexto las palabras 'superior'
y 'menor' se utilizan slo con fines descriptivos.
Cabe sealar que el cido-base controlado el movimiento mecnico en
2-H39+ se asocia con modificaciones estructurales interesantes,
tales como la apertura y el cierre de una gran cavidad y el control
de las posiciones y las propiedades de las piernas bipiridinio.
Este comportamiento puede, en principio, utilizarse para controlar
la absorcin y liberacin de una molcula husped, una funcin de inters
para el desarrollo de sistemas de administracin de frmacos.
SERVICIO DE TRANSPORTE MOLECULAR ALIMENTADO POR LA LUZ DEL
SOLLas nanomquinas artificiales accionados qumicamente descritos en
la seccin anterior no son autnomos, ya que, despus de que el
movimiento mecnico inducido por una entrada de producto qumico, que
necesitan otra, de entrada qumica opuesta para restablecer, que
tambin implica la generacin de productos de desecho. Sin embargo,
la adicin de un reactivo (combustible) no es el nico medio por el
cual la energa se puede suministrar a un sistema qumico. De hecho,
la naturaleza muestra que, en las plantas verdes, la energa
necesaria para sostener la maquinaria de la vida est en ltima
instancia, proporcionado por la luz solar. Entradas de energa en
forma de fotones de hecho pueden causar movimientos mecnicos por
reacciones qumicas reversibles sin la formacin de productos de
desecho. Como se mencion anteriormente, el uso de una fuente de
energa renovable para nanomquinas de energa es un objetivo que vale
la pena.Por tanto, el diseo y la construccin de lanzaderas
moleculares impulsados exclusivamente por energa de la luz es un
tema fascinante y desafiante. Sobre la base de la experiencia
adquirida con los estudios anteriores sobre los sistemas modelo
pseudorotaxano, rotaxano 36+ (Fig. 5) se ha diseado especficamente
para lograr anillo fotoinducida yendo y viniendo en solucin. Este
compuesto se prepara del anillo R donador de electrones y un
componente de pesa de gimnasia que contiene varias unidades: a
rutenio (II) polipiridina complejo (P2 +), que desempea el doble
papel de un station91 potencia de la luz alimentada y un tapn, un
p-terfenilo -tipo espaciador rgido (S), una unidad de
4,4'-bipiridinio (A12+) y una unidad de
3,3'-dimetil-4,4'-bipiridinio (A22+) como estaciones de aceptores
de electrones, y un grupo tetraarylmethane como el segundo tapn
(T). El ismero de traslacin estable de rotaxano 36+ es aquel en el
que el componente R rodea la unidad A12+, en consonancia con el
hecho de que esta estacin es un mejor aceptor de electrones que el
otro.La estrategia diseada con el fin de obtener el movimiento baco
fotoinducido del macrociclo R entre las dos estaciones A12+ y A22+,
que se ilustra en la Fig. 6, se basa en las cuatro operaciones
siguientes:
(a) La desestabilizacin del ismero traslacional estable:
excitacin luz de la unidad P2+ fotoactiva (proceso 1) es seguido
por la transferencia de un electrn desde el estado excitado a la
estacin A1 2+, que est rodeada por el anillo R (proceso 2 ), con la
consiguiente 'desactivacin' de esta estacin; un proceso de
transferencia de electrones fotoinducida tales tiene que competir
con la decadencia intrnseca del estado excitado P2 + (proceso 3);b)
desplazamiento del anillo: el anillo se mueve (proceso 4) de 1,3 nm
de la estacin de reduccin de A1+ a A22+, un paso que tiene que
competir con el proceso de transferencia de electrones de vuelta de
A1+ (todava rodeado por R) a la unidad oxidada P3+ (proceso 5);(c)
restablecimiento electrnica: de vuelta un proceso de transferencia
de electrones de la estacin reducida "libre" A1+ a la unidad
oxidada P3+ (proceso 6) restaura el poder receptor de electrones de
la estacin A12+;(d) Nuclear restablecer: como consecuencia de la
reposicin electrnica, tiene lugar de nuevo el movimiento del anillo
de A22+ a A12+ (proceso 7).
El estado de equilibrio y los experimentos espectroscpicos
tiempo de resolverse junto con las mediciones electroqumicas en
solucin de acetonitrilo han demostrado que la absorcin de un fotn
visible por 36+ puede causar la aparicin de un movimiento del
anillo hacia adelante y atrs, es decir, un ciclo completo mecnica
de acuerdo con el mecanismo ilustrado en la Fig. 6. Se ha estimado
que la fraccin de la energa del estado excitado utilizado para el
movimiento del anillo asciende a ~ 10%, y el sistema puede generar
una potencia mecnica de ~ 3x10-17 W por molcula. La eficiencia
cuntica algo decepcionante para el anillo y venir (2% a 30 C) se ve
compensada por el hecho de que el sistema investigado rene las
siguientes caractersticas: (i) que es alimentado por la luz visible
(en otras palabras, la luz del sol); (ii) que exhibe un
comportamiento autnomo, como las protenas de motor; (iii) no genera
productos de desecho; (iv) su funcionamiento puede confiar en
procesos intramoleculares solo, en principio, que permite un
funcionamiento a nivel de una sola molcula; (v) que puede ser
accionado a una frecuencia de ~ 1 kHz; (vi) que funciona en
condiciones ambientales suaves (es decir, disolucin de fluido a
temperatura ambiente); y (vii) es estable durante al menos 103
ciclos. Aunque el sistema en su forma actual no podra desarrollar
un trabajo mecnico neto en un ciclo completo de operacin, muestra
que la integracin estructural y funcional de las diferentes
subunidades moleculares en una estructura de mltiples componentes
es una poderosa estrategia para la construccin de mquinas a escala
nanomtrica. Debido a su diseo modular, rotaxano 36+ es susceptible
de modificacin estructural para tratar de mejorar su actuacin como
servicio de transporte molecular impulsada por la luz.RESUMEN Y
PERSPECTIVASLa construccin de prototipos simples de dispositivos
moleculares y las mquinas se ha logrado mediante el uso de
estrategias cuidadosas diseo incrementales, las herramientas de la
qumica sinttica moderna, y los paradigmas de la qumica
supramolecular - junto con un poco de inspiracin de los sistemas y
procesos naturales. Los sistemas descritos aqu operan en solucin,
de forma individual, y incoherentemente. Para algunos tipos de
aplicaciones, que necesitarn para su interfaz con el mundo
macroscpico ordenando, de alguna manera, por ejemplo en las
interfases o en las superficies, para que puedan comportarse
coherentemente ya sea en paralelo o en serie. Se ha demostrado
recientemente que la operacin colectiva de nanomquinas artificiales
en monocapas depositado en superficie cuidadosamente ingeniera se
puede desarrollar el trabajo mecnico a una escala mayor. Una
discusin detallada de este y otros temas relacionados est ms all
del alcance de este artculo. Aparte de las aplicaciones ms o menos
futuristas, la ampliacin del concepto de un dispositivo o mquina a
la nanoescala es un tema fascinante para la investigacin bsica. En
cuanto a las especies moleculares y supramoleculares desde el punto
de vista de las funciones con referencia a los dispositivos en el
mundo macroscpico es un ejercicio muy interesante que introduce
nuevos conceptos en la qumica como disciplina cientfica.La tasa de
crecimiento rpido de esta lnea de investigacin nos permite ser
optimistas de que los dispositivos moleculares y mquinas de uso
prctico vern la luz del da en un futuro no muy lejano. En este
sentido, es de esperar que la nanociencia y la nanotecnologa
contribuir a la bsqueda de soluciones a los cuatro grandes
problemas que enfrentan una gran parte de la poblacin de la Tierra:
la alimentacin, la salud, la energa y el medio ambiente. Durante el
desarrollo de la nanociencia y la nanotecnologa, sin embargo, no
debemos olvidar el principio de "gran asimetra": "La tragedia
humana esencial, y la verdadera fuente de potencial mal uso de la
ciencia para la destruccin, se encuentra en una gran asimetra en
nuestro universo de las leyes naturales. Slo podemos alcanzar
nuestros pinculos por pasos laboriosos, pero la destruccin puede
ocurrir en una pequea fraccin del tiempo de construccin, y con
frecuencia puede ser verdaderamente catastrfico. Un da del incendio
destruy un milenio de conocimiento en la biblioteca de Alejandra, y
el tiro de un asesino puede lanzar una guerra evitable... No
tenemos otra opcin, para los seres humanos deben preguntarse,
preguntar, y buscar - y la ciencia debe romper las restricciones de
costumbre - se vuelva ya sea nuestra gloria ms grande, y nuestro
motor ms potente de cambio benevolente, o un acelerador de la
destruccin en el lado equivocado de la gran asimetra.
