El nanocoche es una molécula diseñada en 2005 en la Universidad Rice por un grupo dirigido por el profesor James Tour . A pesar del nombre, el nanocoche original no contiene un motor molecular , por lo que en realidad no es un coche. Más bien, fue diseñado para responder a la pregunta de cómo se mueven los fulerenos sobre superficies metálicas; específicamente, si ruedan o se deslizan (ruedan).
La molécula consiste en un “chasis” en forma de H con grupos de fulerenos unidos en las cuatro esquinas para actuar como ruedas.
Cuando se dispersan sobre una superficie de oro , las moléculas se adhieren a la superficie a través de sus grupos fulerenos y se detectan mediante microscopía de efecto túnel . Se puede deducir su orientación ya que la longitud del marco es un poco más corta que su ancho.
Al calentar la superficie a 200 °C, las moléculas se mueven hacia adelante y hacia atrás mientras ruedan sobre sus "ruedas" de fulereno. El nanocoche puede rodar porque la rueda de fulereno está acoplada al "eje" del alquino a través de un enlace simple carbono-carbono . El hidrógeno del carbono vecino no es un gran obstáculo para la rotación libre. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, los cuatro enlaces carbono-carbono giran y el coche rueda. Ocasionalmente, la dirección del movimiento cambia a medida que la molécula gira. El profesor Kevin Kelly, también de Rice, confirmó la acción de rodar tirando de la molécula con la punta del STM .
El concepto de un nanocoche construido a partir de "juguetes" moleculares fue planteado por primera vez por MT Michalewicz en la Quinta Conferencia de Prospectiva sobre Nanotecnología Molecular (noviembre de 1997). [2] Posteriormente, se publicó una versión ampliada en Annals of Improbable Research . [3] Se suponía que estos artículos serían una contribución no tan seria a un debate fundamental sobre los límites de la nanotecnología drexleriana de abajo hacia arriba y los límites conceptuales de hasta qué punto se podían llevar a cabo las analogías mecanicistas propuestas por Eric Drexler . La característica importante de este concepto de nanocoche era el hecho de que todos los juguetes moleculares componentes eran moléculas conocidas y sintetizadas (por desgracia, algunas muy exóticas y descubiertas recientemente, por ejemplo, los staffanos y, en particular, la rueda férrica, 1995), en contraste con algunas estructuras diamantoides drexlerianas que solo se postularon y nunca se sintetizaron; y el sistema de accionamiento que estaba integrado en una rueda férrica y era accionado por un campo magnético no homogéneo o dependiente del tiempo de un sustrato: un concepto de "motor en una rueda".
El Nanodragster , apodado el hot rod más pequeño del mundo , es un nanocoche molecular. [1] [4] El diseño mejora los diseños de nanocoches anteriores y es un paso hacia la creación de máquinas moleculares . El nombre proviene de la semejanza del nanocoche con un dragster , ya que su montaje de ruedas escalonadas tiene un eje más corto con ruedas más pequeñas en la parte delantera y un eje más grande con ruedas más grandes en la parte trasera.
El nanocoche fue desarrollado en el Instituto de Ciencia y Tecnología a Nanoescala Richard E. Smalley de la Universidad Rice por el equipo de James Tour , Kevin Kelly y otros colegas involucrados en su investigación. [5] [6] El nanocoche desarrollado anteriormente tenía entre 3 y 4 nanómetros, que era un poco más del ancho de una hebra de ADN y era alrededor de 20.000 veces más fino que un cabello humano. [7] Estos nanocoches se construyeron con buckyballs de carbono como sus cuatro ruedas, y la superficie sobre la que se colocaron requirió una temperatura de 400 °F (200 °C) para ponerse en movimiento. Por otro lado, un nanocoche que utilizó ruedas de p- carborano se mueve como si se deslizara sobre hielo, en lugar de rodar. [8] Tales observaciones llevaron a la producción de nanocoches que tenían ambos diseños de ruedas.
El nanodragster es 50.000 veces más fino que un cabello humano y tiene una velocidad máxima de 0,014 milímetros por hora (0,0006 pulgadas/h o 3,89×10 −9 m/s). [4] [9] [10] Las ruedas traseras son moléculas esféricas de fulereno , o buckyballs, compuestas por sesenta átomos de carbono cada una, que son atraídas por una pista de carreras que está formada por una capa muy fina de oro . Este diseño también permitió al equipo de Tour operar el dispositivo a temperaturas más bajas.
El nanodragster y otras nanomáquinas están diseñadas para su uso en el transporte de objetos. La tecnología se puede utilizar en la fabricación de circuitos informáticos y componentes electrónicos, o en combinación con productos farmacéuticos dentro del cuerpo humano. [11] Tour también especuló que el conocimiento adquirido a partir de la investigación de los nanocoches ayudaría a construir sistemas catalíticos eficientes en el futuro.
Kudernac et al. describieron una molécula especialmente diseñada que tiene cuatro "ruedas" motorizadas. Al depositar la molécula sobre una superficie de cobre y proporcionarle suficiente energía a partir de electrones de un microscopio de efecto túnel de barrido, pudieron impulsar algunas de las moléculas en una dirección específica, de manera muy similar a un automóvil, siendo la primera molécula capaz de continuar moviéndose en la misma dirección a través de una superficie. El efecto túnel de electrones inelástico induce cambios conformacionales en los rotores e impulsa la molécula a través de una superficie de cobre. Al cambiar la dirección del movimiento rotatorio de las unidades motoras individuales, la estructura molecular autopropulsada de "cuatro ruedas" puede seguir trayectorias aleatorias o preferentemente lineales. Este diseño proporciona un punto de partida para la exploración de sistemas mecánicos moleculares más sofisticados, tal vez con un control completo sobre su dirección de movimiento. [12] Este nanocoche propulsado eléctricamente fue construido bajo la supervisión del químico de la Universidad de Groningen Bernard L. Feringa , quien recibió el Premio Nobel de Química en 2016 por su trabajo pionero en nanomotores , junto con Jean-Pierre Sauvage y J. Fraser Stoddart . [13]
Jean-Francois Morin et al. [14] han desarrollado un nanocoche del futuro con un motor molecular sintético . Está equipado con ruedas de carborano y un motor molecular sintético de heliceno alimentado por luz . Aunque la parte del motor mostró una rotación unidireccional en solución, aún no se ha observado un movimiento impulsado por la luz sobre una superficie. En el futuro, también se podrá lograr la movilidad en agua y otros líquidos mediante una hélice molecular .