Científicos crean un motor molecular inspirado en el tornillo de Arquímedes

Científicos de la Universidad de Augsburgo desarrollaron un innovador motor molecular que gira al pasar electricidad a través de él. Este pequeño dispositivo, que puede invertir su dirección al cambiar la polaridad del voltaje, representa un avance significativo en la miniaturización de máquinas, inspirado en el antiguo tornillo de Arquímedes, una de las primeras máquinas de la historia.

Los motores moleculares son considerados una nueva frontera en la miniaturización. En la naturaleza, existen ejemplos de motores moleculares que utilizan energía para generar movimiento dentro de las células. Desde hace décadas, los investigadores han intentado replicar estos sistemas biológicos de manera artificial, un esfuerzo que fue reconocido con el Premio Nobel de Química en 2016.

El motor molecular más reciente se basa en el diseño del tornillo de Arquímedes, que tradicionalmente se utiliza para mover agua. En lugar de trasladar agua, este motor permite que los electrones viajen a través de una molécula en forma de espiral, lo que provoca su rotación al pasar la corriente eléctrica.

El componente central del motor es una molécula espiral diseñada por el grupo de investigación del profesor Michael Pittelkow en la Universidad de Copenhague. Esta molécula, que mide solo unos pocos millonésimos de milímetro, puede unirse a superficies de oro mediante átomos de azufre. En el Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, investigadores liderados por el profesor Oren Tal y el doctor Anil Kumar Singh posicionaron moléculas individuales entre dos puntas de oro afiladas a dimensiones atómicas, lo que les permitió estirar o comprimir el tornillo molecular al cambiar la separación entre los electrodos.

Cuando los científicos aplicaron un voltaje eléctrico, observaron que la molécula comenzaba a rotar. Además, podían invertir su dirección simplemente cambiando la polaridad del voltaje, lo que representa la primera demostración de un motor molecular que se mueve gracias a la corriente eléctrica y que está firmemente conectado a dos electrodos metálicos.

La fuerza que impulsa la rotación proviene directamente de los electrones que viajan a través de la molécula espiral. Al moverse, transfieren momento angular a la estructura molecular, produciendo rotación de manera similar a como el aire en movimiento hace girar una turbina eólica. La forma de la espiral determina cómo responde a este flujo, similar a la diferencia entre tornillos con roscas de mano derecha o izquierda.

Sin embargo, los experimentos revelaron un efecto intrigante: la molécula rotativa conducía electricidad de manera mucho más eficiente que cuando estaba en reposo, lo que planteó preguntas sobre lo que ocurría dentro de la pequeña máquina. Para investigar este comportamiento inesperado, el profesor Fabian Pauly y sus estudiantes de doctorado León Martin y Yuta Ito utilizaron simulaciones mecánicas cuánticas en la supercomputadora LiCCA.

Sus cálculos revelaron una relación estrecha entre la rotación de la molécula y su capacidad para transportar corriente eléctrica. La conductividad cambiaba drásticamente dependiendo del ángulo de la molécula, aumentando hasta 100 veces durante la rotación. Este hallazgo mostró que el movimiento molecular no solo consume energía eléctrica, sino que también influye en cómo fluye la electricidad a través de la máquina.

La colaboración internacional fue clave para resolver el misterio. Los investigadores trabajaron con físicos teóricos como Per Hedegård del Instituto Niels Bohr en Copenhague y Jing-Tao Lü de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología en Wuhan. Utilizando los resultados de las simulaciones, desarrollaron un modelo teórico simplificado que recreó con éxito tanto la rotación observada en los experimentos como el aumento de la corriente eléctrica.

Este avance podría contribuir al desarrollo de componentes electrónicos moleculares y tecnologías relacionadas con la spintrónica, que utiliza propiedades de los electrones más allá de su carga eléctrica. También puede ofrecer posibilidades para sistemas microfluídicos que manipulan cantidades extremadamente pequeñas de fluidos.

El motor proporciona a los científicos una nueva forma de investigar procesos físicos a escala atómica. Su capacidad para convertir electricidad en rotación controlada, mientras permite que esa rotación influya en la corriente eléctrica, introduce un nuevo principio para diseñar máquinas extremadamente pequeñas.

El trabajo realizado en la Universidad de Augsburgo recibió financiamiento de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) a través del Centro de Investigación Colaborativa (SFB) 1585. La investigación computacional se realizó utilizando la supercomputadora LiCCA de la universidad.

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