Efecto túnel en nanomáquinas

Una nanomáquina “caballo” es mucho más lenta que una nanomáquina basada en una molécula bípeda porque un sistema de cuatro patas no puede aprovecharse del efecto túnel, mientras que uno de dos sí.

Una molécula cuadrúpeda se mueve de manera similar a un caballo (derecha). Fuente: Ludwig Bartels.
Según unos investigadores de la Universidad de California en Riverside, que han estudiado nanomáquinas de dos y cuatro “patas”, podría ocurrir que las máquinas moleculares sufrieran efecto túnel mecánico, algo que normalmente se puede observar sólo en partículas (como los electrones) o átomos.
Según Ludwig Bartels, líder del estudio, nunca antes había sido observado el efecto túnel mecánico en un dispositivo tan grande, algo que constituye un abandono de la mecánica habitual del mundo macroscópico. Además, esto significa que las nanomáquinas pueden moverse más rápido de lo esperado gracias a este efecto.
Las máquinas moleculares se encuentran por todas partes en el mundo biológico. Así por ejemplo, el ácido de nuestros estómagos es producido por una bomba de protones que está las células del estómago. En todas las células de nuestro cuerpo las proteínas son arrastradas hacia el lugar en donde se necesitan usando motores de quinesinas. Estos motores biológicos consisten en miles de átomos y son demasiado grandes como para ser estudiados usando modelos computacionales.
El equipo de Bartel quería entender los principios básicos que hay detrás de las máquinas moleculares naturales para de esto modo intentar desarrollar dispositivos artificiales similares. Así que se juntó con el químico Michael Marsella y sintetizaron unas moléculas pequeñas, y por tanto sencillas de estudiar, que podían “caminar” y transportar una carga de un lugar a otro sobre una superficie de cobre al vacío. Según Bartels esto era mucho más simplificado que lo que se encuentra en el mundo biológico, donde las moléculas necesitan sujetarse a sí mismas en cualquier lugar de un mundo 3D donde hay toda clase de otras moléculas flotando por ahí.
Hace dos años Bartels y sus colaboradores encontraron que la antraquinona (una molécula común usada en toneladas en la industria de papel) podía caminar en línea recta sobre una superficie de cobre. Este fue un resultado importante, pues lo normal es que las moléculas tiendan a moverse aleatoriamente en todas direcciones. Más aún, la antraquinona podía sujetar moléculas de dióxido de carbono y con sus dos átomos de oxígeno (o “patas” situadas una detrás de la otra) arrastrar esta carga a lo largo del camino. Sin embargo, los miembros del equipo de Bartels estaban perplejos de lo rápido que se movía esta molécula.
Entonces, estos investigadores estudiaron la pentacenetetrona (otra molécula ampliamente usada en la industria) que no tiene dos “patas” formadas por dos átomos de oxígeno, sino cuatro. Para su sorpresa, estos investigadores encontraron que esta molécula cuadrúpeda, que se movía como un caballo paciendo con dos patas que se movían juntas a un lado de la molécula seguidas por las otras dos patas del otro lado, tenía una velocidad un millón de veces menor que la bípeda antraquinona.
Según estos investigadores esta diferencia tan brutal en la velocidad se da porque partes de la bípeda antraquinona (sus patas) se aprovechan del efecto túnel (descrito por la Mecánica Cuántica) y pasan una tras otra a través de las barreras a modo de asperezas que hay en la superficie, en lugar de saltar por encima.
Por el contrario, la molécula cuadrúpeda, aunque puede coordinar el movimiento de sus cuatro patas para moverse hacia adelante, no puede coordinar dos patas a la vez para que pasen por efecto túnel a través de una barrera simultáneamente. Esto significa que la molécula necesita mover sus patas formadas por átomos de oxígeno del modo convencional sobre las barreras. La molécula bípeda es un millón de veces más rápida porque sólo necesita mover una pata cada vez y una pata puede pasar por efecto túnel hacia adelante en cualquier momento y dar el paso exitosamente a la espera que lo haga después la otra pata que viene detrás.
Esto es muy diferente de lo que pasa en el mundo macroscópico. Es como si las ruedas de nuestros automóviles pudieran atravesar los resaltes que la autoridad municipal a puesto en las calles de nuestra ciudad para que vayamos más despacio (y de paso destrozar la suspensión de nuestros caros vehículos). En el mundo microscópico la Mecánica Cuántica permite por ejemplo que los electrones puedan atravesar una barrera de potencial con una probabilidad no nula aunque tengan una energía menor que la de la barrera. En este nuevo caso se trata de un efecto mecánico y para objetos mucho más grandes.
Las máquinas moleculares artificiales como éstas podrían tener aplicaciones en microelectrónica, por ejemplo en el almacenamiento de datos, o en medicina para la liberación de fármacos en los sitios adecuados. Sin embargo, dispositivos reales de este tipo necesitarán todavía más de diez años para materializarse, según Bartels.
Este equipo de investigadores planea ahora crear moléculas más grandes, puede que un “ciempiés” en lugar de un “caballo”, quizás controlado por luz.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1027343