Eduardo Peris Fajarnés, Universitat Jaume I; Cristian Vicent Barrera, Universitat Jaume I y Susana Ibáñez Maella, Universitat Jaume I
En 2016, los investigadores Ben Feringa, Fraser Stoddart y Jean-Pierre Savage recibieron el Premio Nobel de química “por el diseño y la síntesis de máquinas moleculares”. Las máquinas moleculares son entidades nanométricas basadas en moléculas que pueden realizar movimientos controlados al ser estimulados con una fuente de energía (calor, pH, luz). Este descubrimiento tiene consecuencias muy importantes en el desarrollo de nuevas tecnologías, ya que, si hay un proceso asociado al desarrollo tecnológico en el siglo XXI, sin duda este es el de la miniaturización.
Las máquinas moleculares son los dispositivos tecnológicos más pequeños que se pueden construir, de modo que su diseño racional (que está dirigido a que posteriormente cumpla la función para la que fue diseñada) constituye uno de los grandes retos para un investigador químico.
La raíz de los trabajos de Feringa, Stoddart y Savage se encuentra en lo que actualmente se conoce como enlace mecánico. Normalmente, las moléculas están constituidas por asociaciones de átomos que están unidos por enlaces covalentes, es decir, por compartición de electrones. Los enlaces mecánicos se establecen cuando dos o más moléculas se entrelazan, como consecuencia de su topología.
La existencia de enlaces mecánicos permite que los componentes de la molécula se puedan mover uno con respecto al otro, facilitando así el movimiento que la convierte en una máquina molecular. Por ejemplo, un ‘catenano’ (Figura 1) está formado por dos (o más) componentes cíclicos que se entrelazan del mismo modo que lo hacen dos eslabones consecutivos en una cadena. La existencia del enlace mecánico permite que uno de los componentes (eslabón) pueda girar con respecto al otro.
Junto con los catenanos, los rotaxanos y los nudos moleculares constituyen los tres tipos de moléculas entrelazadas mecánicamente que se conocen hasta la fecha (Figura 1). Estos tres tipos de moléculas tienen en común que se basan en estructuras cíclicas, ya que se puede intuir que son los sistemas cerrados los que dan con más facilidad estructuras entrelazadas.
El desarrollo de esta nueva ingeniería de moléculas constituye hoy en día un campo en continuo avance ya que el número de moléculas susceptibles de formar topologías moleculares sofisticadas es casi inimaginable. El desarrollo de nuevas máquinas moleculares proporciona un escenario comparable a la extraordinaria versatilidad que tendríamos para diseñar puzles o arquitecturas tridimensionales combinando piezas de Lego. Precisamente, Fraser Sttodart, sin duda uno de los máximos exponentes en el diseño de máquinas moleculares, relata su adicción a los puzles durante su infancia, y cómo esto potenció su creatividad a la hora de diseñar ensamblajes moleculares
Algunas moléculas entrelazadas mecánicamente similares a las que se muestran en la Figura 1 se han utilizado para construir ensamblajes moleculares asombrosos que simulan el proceso ejecutado por un ascensor molecular, la contracción de un músculo o un nanocoche en movimiento. Todo esto, con la singularidad de operar en la escala nanométrica.
En este contexto, la preparación de estructuras entrelazadas mecánicamente más complejas debería permitir que la molécula pudiera realizar un mayor número de movimientos a través de los enlaces mecánicos y, por tanto, que sea capaz de realizar funciones cada vez más sofisticadas.
Por todo lo anterior, diseñar nuevos tipos de moléculas entrelazadas mecánicamente y, sobre todo, encontrar nuevas topologías moleculares es de gran importancia para acelerar el desarrollo de este nuevo campo de investigación química. Así se conseguiría, eventualmente, abrir la ventana a nuevas aplicaciones tecnológicas.
En la búsqueda de nuevas moléculas con características compatibles para la formación de enlaces mecánicos, nuestro grupo de la Universitat Jaume I ha diseñado un nuevo tipo de molécula entrelazada mecánicamente basada en la asociación de dos moléculas en forma de pinza o clip (Figura 2).
Cuando estas moléculas se entrelazan entre sí, forman una novedosa topología molecular que hemos bautizado con el nombre de clipanos (ver Figura 2). Cabe destacar que, mientras que las topologías moleculares conocidas hasta el momento (catenano, rotaxano y nudos moleculares) se basan en estructuras cíclicas, lo singular de clipano es que está formado por dos componentes abiertos (no cíclicos), en forma de clip.
Para que se produzca el enlace mecánico, los componentes del clipano deben estar en perfecta sintonía en términos de tamaño, forma y posición de grupos funcionales a lo largo de su esqueleto molecular, lo que implica un gran esfuerzo en el diseño y en el ajuste del procedimiento sintético.
El hecho de que esta molécula no se pudiera imaginar hasta ahora abre un abanico de posibilidades amplísimo, con aplicaciones que hoy somos incapaces de imaginar. Los resultados, que se han publicado en la prestigiosa revista química Angewandte Chemie International Edition, han tenido un gran eco mediático en la comunidad científica, e incluso han sido destacados en la revista Science.
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Eduardo Peris Fajarnés, Catedrático de Universidad. Química Inorgánica, Universitat Jaume I; Cristian Vicent Barrera, Técnico de soporte a la investigación, Universitat Jaume I y Susana Ibáñez Maella, Investigadora en Química, Universitat Jaume I
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
