Motor browniano

Los motores brownianos son máquinas a escala nanométrica o molecular que utilizan reacciones químicas para generar un movimiento dirigido en el espacio. ^[1] La teoría detrás de los motores brownianos se basa en el fenómeno del movimiento browniano , un movimiento aleatorio de partículas suspendidas en un fluido (un líquido o un gas ) que resulta de su colisión con las moléculas de rápido movimiento en el fluido. ^[2]

En la nanoescala (1–100 nm), la viscosidad domina 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 a estos motores en la dirección deseada son minúsculas en comparación con las fuerzas aleatorias ejercidas por el entorno. Los motores brownianos funcionan específicamente para utilizar este alto nivel de ruido aleatorio para lograr un movimiento dirigido y, como tal, solo son viables en la nanoescala . ^[3]

El concepto de motores brownianos es reciente, ya que fue acuñado en 1995 por Peter Hänggi , pero es posible que estos motores existan en la naturaleza desde hace mucho tiempo y ayuden a explicar procesos celulares cruciales que requieren movimiento a escala nanométrica , como la síntesis de proteínas y la contracción muscular . Si este es el caso, los motores brownianos pueden tener implicaciones para los fundamentos de la vida misma. ^[3]

En tiempos más recientes, los seres humanos han intentado aplicar este conocimiento de los motores brownianos naturales para resolver problemas humanos. Las aplicaciones de los motores brownianos son más obvias en la nanorrobótica debido a su dependencia inherente del movimiento dirigido. ^{[4] [5]}

El término "motor browniano" fue inventado originalmente por el físico teórico suizo Peter Hänggi en 1995. ^[3] El motor browniano, al igual que el fenómeno del movimiento browniano que sustentaba su teoría subyacente, también recibió su nombre del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown , quien, mientras miraba a través de un microscopio el polen de la planta Clarkia pulchella sumergida en agua, describió el famoso movimiento aleatorio de las partículas de polen en el agua en 1827. En 1905, casi ochenta años después, el físico teórico Albert Einstein publicó un artículo en el que modeló el movimiento del polen como movido por moléculas de agua individuales , ^[6] y esto 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". ^[7] Estos desarrollos ayudaron a crear los fundamentos de las teorías actuales del mundo a nanoescala .

La nanociencia tradicionalmente ha permanecido durante mucho tiempo en la intersección de las ciencias físicas de la física y la química , pero los avances más recientes en la investigación la posicionan cada vez más fuera del alcance de cualquiera de estos dos campos tradicionales. ^[8]

En 2002, Dean Astumian y Peter Hänggi publicaron un artículo fundamental sobre los motores brownianos en la revista Physics Today del Instituto Americano de Física , "Motores brownianos" . En él, propusieron el concepto, entonces novedoso, de los motores brownianos y postularon que "el movimiento térmico combinado con la energía de entrada da lugar a una canalización del azar que puede utilizarse para ejercer control sobre sistemas microscópicos". Astumian y Hänggi proporcionan en su artículo una copia del poema de Wallace Stevens de 1919 " El lugar de los solitarios " para ilustrar elegantemente, desde una perspectiva abstracta, la naturaleza incesante del ruido.

Inspirados por el fascinante mecanismo por el cual las proteínas se mueven frente al ruido térmico, muchos físicos están trabajando para comprender los motores moleculares a escala mesoscópica. Una importante conclusión de este trabajo es que, en algunos casos, el ruido térmico puede ayudar al movimiento dirigido al proporcionar un mecanismo para superar las barreras energéticas. En esos casos, se habla de "motores brownianos". En este artículo, nos centramos en varios ejemplos que resaltan algunos conceptos físicos subyacentes destacados que han surgido. Pero primero observamos que los poetas también se han sentido fascinados por el ruido (véase el recuadro 1).

...

En el mundo microscópico, “no debe haber ninguna interrupción / del movimiento, ni del ruido del movimiento” (recuadro 1). En lugar de luchar contra él, los motores brownianos aprovechan el ruido incesante para mover partículas de manera eficiente y confiable.

—  Dean Astumian y Peter Hänggi, "Brownian Motors"

Un año después del artículo de Astumian-Hänggi, el grupo de química orgánica de David Leigh informó sobre los primeros motores brownianos moleculares artificiales. ^[9] En 2007, el mismo equipo informó sobre un trinquete de información molecular inspirado en el demonio de Maxwell . ^[10]

Otra demostración importante de nanoingeniería y nanotecnología fue la construcción de un motor browniano artificial práctico por parte de IBM en 2018. ^[11] En concreto, se creó un paisaje energético dando forma con precisión a una ranura nanofluídica , y luego se utilizaron potenciales alternativos y un campo eléctrico oscilante para "balancear" las nanopartículas y producir un movimiento dirigido. El experimento logró que las nanopartículas se movieran a lo largo de 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 nanométrica .

Además, varias instituciones de todo el mundo, como el Instituto de Nanociencia de la Universidad de Sydney , con sede en el Centro de Nanociencia de Sydney (SNH), y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) de la Universidad de Basilea , son ejemplos de la actividad de investigación 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 máquinas útiles a escala nanométrica que implican un movimiento dirigido. ^{[4] [5]}

La investigación en nanociencias del Swiss Nanoscience Institute (SNI) se centra en áreas que pueden resultar beneficiosas para las ciencias de la vida, la sostenibilidad y las tecnologías de la información y la comunicación. El objetivo es explorar fenómenos a escala nanométrica e identificar y aplicar nuevos principios pioneros. Para ello, los investigadores se sumergen en el mundo de los átomos y las moléculas individuales. En este nivel, las disciplinas clásicas de la física, la biología y la química se fusionan en una sola. La colaboración interdisciplinaria entre diferentes ramas de la ciencia e instituciones es, por tanto, un elemento clave del trabajo diario del SNI.

—  Instituto Suizo de Nanociencia, Universidad de Basilea Sitio web

El ruido térmico en la nanoescala es tan grande que moverse en una dirección particular es tan difícil como "caminar en un huracán " o "nadar en melaza ". ^[8] El funcionamiento teórico del motor browniano puede explicarse mediante la teoría del trinquete, en la que se permiten fuertes fluctuaciones térmicas aleatorias para mover la partícula en la dirección deseada, mientras que se gasta energía para contrarrestar las fuerzas que producirían el movimiento en la dirección opuesta. Este movimiento puede ser tanto lineal como rotacional. En el sentido biológico y en la medida en que este fenómeno aparece en la naturaleza, existe porque la energía química proviene de la molécula trifosfato de adenosina (ATP).

El trinquete browniano es una aparente máquina de movimiento perpetuo que parece violar la segunda ley de la termodinámica , pero que luego fue desacreditada tras un análisis más detallado por Richard Feynman y otros físicos . La diferencia entre los motores brownianos reales y los trinquetes brownianos ficticios 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 intenta mover el motor en la dirección opuesta. ^[12]

Debido a que los motores brownianos dependen de la naturaleza aleatoria del ruido térmico para lograr un movimiento dirigido, son de naturaleza estocástica , en el sentido de que pueden analizarse estadísticamente pero no predecirse con precisión. ^[13]

En biología , gran parte de lo que entendemos como motores moleculares basados ​​en proteínas también pueden ser, de hecho, motores brownianos. Estos motores moleculares facilitan procesos celulares críticos en los organismos vivos y, de hecho, son fundamentales para la vida misma.

Los investigadores han logrado avances significativos en términos de examinar estos procesos orgánicos para comprender mejor su funcionamiento interno. Por ejemplo, existen motores brownianos moleculares en forma de varios tipos diferentes de proteínas dentro de los humanos. Dos motores brownianos biomoleculares comunes son la ATP sintasa , un motor rotatorio, y la miosina II , un motor lineal. ^[13] La proteína motora ATP sintasa produce un par rotatorio que facilita la síntesis de ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (P _i ) a través de la siguiente reacción general:

ADP + P _i + 3H ⁺ _salida ⇌ ATP + H ₂ O + 3H ⁺ _entrada

Por el contrario, el par producido por la miosina II es lineal y es la base del proceso de contracción muscular . ^{[13] Entre} las proteínas motoras similares se encuentran la kinesina 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 nanométrica , y algunas proteínas comunes de este tipo se ilustran en las siguientes imágenes generadas por computadora .

• Proteínas que actúan como motores brownianos dentro de las células humanas
• 
  Sintetasa de ATP
• 
  Miosina II
• 
  Kinesina
• Dineína

La relevancia de los motores brownianos para el requisito de movimiento dirigido en nanorobótica se ha vuelto cada vez más evidente para los investigadores tanto del ámbito académico como de la industria. ^{[4] [5]}

Las réplicas artificiales de los motores brownianos se basan en la naturaleza y difieren de ella, y un tipo específico es el fotomotor, en el que el motor cambia de estado debido a pulsos de luz y genera un movimiento dirigido. Estos fotomotores, a diferencia de sus contrapartes naturales ˇ, son inorgánicos y poseen mayor eficiencia y velocidad promedio , y por lo tanto son más adecuados para el uso humano que las alternativas existentes, como los motores de proteínas orgánicas . ^[14]

En la actualidad, uno de los seis "Grandes Desafíos" actuales del Instituto Nano de la Universidad de Sydney es desarrollar nanorobótica para la salud , un aspecto clave del cual es una " fundición de piezas a nanoescala " que pueda producir motores brownianos a nanoescala para el " transporte activo alrededor del cuerpo". El instituto predice que entre las implicaciones de esta investigación está un "cambio de paradigma" en la atención médica "alejándose del modelo de " reparación de averías " hacia un enfoque en la prevención y la intervención temprana", como en el caso de las enfermedades cardíacas : ^[15]

Los cambios a nivel molecular que se producen en las primeras etapas de una enfermedad cardíaca se producen a escala nanométrica. Para detectar estos cambios, estamos construyendo robots a escala nanométrica, más pequeños que las células, que se desplazarán por el cuerpo. Esto nos permitirá ver el interior incluso de los vasos sanguíneos más estrechos, detectar los depósitos grasos (placa aterosclerótica) que señalan el inicio de la obstrucción arterial y permitir el tratamiento antes de que la enfermedad progrese.

...

El impacto de este proyecto será amplio. Mejorará los resultados sanitarios de todos los australianos con enfermedades cardíacas y reducirá los costos de la atención médica. Tiene potencial para beneficiar a otros problemas de salud, incluidos el cáncer, la demencia y otras enfermedades neurodegenerativas. Proporcionará un entorno colaborativo de primer nivel para capacitar a la próxima generación de investigadores australianos, impulsando la innovación y el desarrollo de nuevas industrias y empleos en Australia.

El profesor Paul Bannon, cirujano cardiotorácico de adultos de prestigio internacional e investigador médico líder , ^{[16] [17]} resume los beneficios de la nanorrobótica en la salud. ^[15]

Si pudiera miniaturizarme dentro del cuerpo... podría detectar daños tempranos y tratables en tus arterias coronarias cuando tengas 25 años y así evitar tu muerte prematura.

—  Profesor Paul Bannon, MBBS, PhD, FRACS

• Máquinas moleculares
• Motor molecular
• Movimiento browniano
• Trinquete browniano
• Nanoingeniería
• Nanorobótica
• Roberto Brown
• Peter Hanggi

• Magnasco, MO (1993). "Trinquetes térmicos forzados". Phys. Rev. Lett . 71 (10): 1477–1481. Bibcode :1993PhRvL..71.1477M. doi :10.1103/PhysRevLett.71.1477. PMID  10054418.
• Magnasco, MO (1994). "Motores de combustión molecular". Phys. Rev. Lett . 72 (16): 2656–2659. Bibcode :1994PhRvL..72.2656M. doi :10.1103/PhysRevLett.72.2656. PMID  10055939.
• Astumian, RD (1997). "Termodinámica y cinética de un motor browniano" (PDF) . Science . 276 (5314): 917–922. doi :10.1126/science.276.5314.917. PMID  9139648.
• Astumian, RD; Hänggi, P. (2002). "Motores brownianos" (PDF) . Physics Today . 55 (11): 33–39. Bibcode :2002PhT....55k..33A. doi :10.1063/1.1535005.
• Hänggi, P.; Marchesoni, F.; Nori, F. (2005). "Motores brownianos" (PDF) . Annalen der Physik . 14 (1–3): 51–70. arXiv : cond-mat/0410033 . Código Bib : 2005AnP...517...51H. doi : 10.1002/andp.200410121. S2CID  1724528.
• Freund, JA; Pöschel, T. (2000). "Procesos estocásticos en física, química y biología". Lecture Notes in Physics, vol. 557. Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-41074-4.
• Motor browniano en arxiv.org
• Hänggi, Peter; Marchesoni, Fabio (2009). "Motores brownianos artificiales: control del transporte en la nanoescala" (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 81 (1): 387–442. arXiv : 0807.1283 . Código Bibliográfico :2009RvMP...81..387H. doi :10.1103/RevModPhys.81.387. S2CID  16690300.