Abstrac
The nanomotors can be a technological and biomedical invention that the world needs for the better the quality of life of their inhabitants, this can turn out well since our nanomotors can be useful for medical treatments, since they can transport pharmaceuticals inside of the human body, destroying toxic molecules for the living being, etc. and the best is that they can use like feeding ground the energy produced by the mitochondrias by means of a process of hydrolysis of the ATP (adenosine triphosphate), for artificial energy ( electric loads ) and for the application of differences of temperature in the extremes of a nanotube fixed by carbon molecules, match to as it happens with the air around a stove. Although the artificial motors, more known like heat engines at the present time meet only like prototypes.
Index Terms: nanomotores moleculares y artificiales.
Marco teórico
Nanotecnología
La nanotecnología es emplear el conocimiento sobre la manipulación de la materia a niveles o escalas nanoscopicas para lograr así la creación de tecnología en beneficio de la sociedad; como por ejemplo la creación de nanomáquinas para que desempeñen funciones tales como: el transporte de fármacos a través del cuerpo humano, extracción de energía atreves de enlaces químicos, construcción de circuitos electrónicos nanoscopicos, destrucción de moléculas toxicas presentes en el cuerpo humano y entre otras aplicaciones.
Nanomotores
Los desplazamientos de los nanomotores dependen del espacio en donde se los vaya a aplicar por ejemplo, si un nanomotor se va aplicar en fluidos se necesita más energía que cuando se los aplique en el aire libre, esto se debe a que la viscosidad de los fluidos y mucho mayor a la viscosidad del aire y la resistencia de desplazamiento o avance es proporcional a la anchura del objeto. También depende de la inercia del nanomotor que es la resistencia que se presenta al cambiar la velocidad a la que se mueve el nanomotor y es proporcional a la masa del mismo. Por esta razón la inercia puede ser despreciable casi igual a cero y quedando así sola la viscosidad del medio en donde opera el nanomotor.
Hay que tomar en cuenta que para aplicaciones reales, las nanomáquinas necesitan ser orientadas hacia su objetivo y esto se puede lograr mediante un campo magnético.
En la figura 1 se puede observar un motor formado por dos partículas magnéticas de diferente tamaño unidas por un puente de ADN. Cuando se ve afectado por un campo magnético externo el nanomotor gira. Si este nanomotor está además situado cerca de una superficie plana sólida, el giro del nanomotor provoca su desplazamiento a lo largo de esta superficie.
Figura 1: MOTOR FORMADO POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS UNIDAS POR UN PUENTE DE ADN
Algunos modelos de nanomotor se basan en el hecho de que las moléculas están siempre en movimiento, lo que se conoce como movimiento browniano (Ver figura 1). Se trata de crear mecanismos que permitan avanzar a los nanomotores en un sentido, impulsados por el choque de las moléculas, del fluido en el que está inmerso, contra ellos, pero impidan su avance en sentido contrario, gracias al empleo de moléculas "trinquete".
Entonces se pueden diferenciar entre los nanomotores dos modelos o clases que son:
Motor biológico o motor molecular.
Motor artificial o motores térmicos
Motor molecular
Los motores moleculares son motores en los que los movimientos individuales de unas pocas moléculas son responsables de la conversión de una forma de energía (principalmente química) en trabajo. En la naturaleza, están en el origen de todos los movimientos de los seres vivos. También serían componentes importantes de eventuales nanomáquinas.
La principal diferencia con los motores macroscópicos se debe a la escala de las energías que entran en juego. En efecto para mover masas moleculares a distancias de unos pocos nanómetros, el trabajo necesario es del orden de la energía libre de un termostato a temperatura ambiente. Los motores moleculares están generalmente muy influenciados por su entorno, y no pueden ser descritos más que por teorías estadísticas.
Modelos
Se distinguen comúnmente los motores moleculares rotativos y los motores moleculares lineales (Ver figura 2). Los primeros están involucradas en la síntesis del combustible celular esencial el ATP (adenosin trifosfato) y en la propulsión de las bacterias. Los segundos están involucrados en el transporte intracelular, en la motilidad celular, en la mitosis, en la organización de la célula, en las contracciones musculares, en los movimientos de los cilios y flagelos, o en la detección del sonido.
Figura 2: MODELOS DE MOTORES MOLECULARES:
a. MOTORES MOLECULARES LINEALES
b. MOTORES MOLECULARES ROTATORIOS
Los procesos químicos y físicos que ocurren en estos motores han levantado la curiosidad de algunos científicos ya que estos motores cuentan con una gran eficiencia lo que podría contribuir en el desarrollo de tecnologías prometedoras. Se podría decir que el más utilizado es el motor rotatorio y está compuesto por las siguientes partes:
Figura 3: PARTES DE MOTOR ROTATORIO FLAGELADO
Donde el motor rotatorio de ensamblaje del flagelo comienza en la membrana citoplasmática, progresa a través del espacio periplasmático y se extiende finalmente al exterior de la célula. Fundamentalmente, el flagelo se compone de dos partes principales: el sistema de secreción y la estructura axial. Los principales componentes de la estructura axial son FlgG para el vástago, FlgE para el codo, y FliC para el filamento. Todos estos se ensamblan con la ayuda de una proteína tapón (FlgJ, FlgD y FliD respectivamente). De éstas, sólo FliD permanece en el extremo del filamento del producto acabado. Otros componentes de la estructura axial (llamados FlgB, FlgC y FlgF) conectan el vástago y el complejo del anillo MS. El codo y el filamento están conectados por FlgK y FlgL.
Cuando el anillo C y el vástago C se unen al anillo M en su superficie citoplasmática, el complejo del anillo MS que es el fundamento estructural del aparato puede comenzar a segregar proteínas flagelares.
La estructura del vástago se construye a través de la capa de peptidoglicano. Pero el crecimiento no puede proseguir sin ayuda más allá de la barrera física que presenta la membrana exterior. De modo que el complejo anular exterior acabado de mencionar corta un orificio en la membrana, de modo que el codo puede crecer debajo del andamiaje de la FlgD hasta que alcanza la longitud crítica de 55nm. Entonces los sustratos que están siendo segregados pueden pasar desde el modo vástago-codo al modo flagelina, la FlgD puede ser sustituida por proteínas asociadas con el codo, y el filamento sigue creciendo. Sin la presencia de la proteína tapón FliD, estos monómeros de flagelina se pierden. Así, esta proteína tapón es esencial para que el proceso pueda tener lugar (Ver figura 3).
Funcionamiento
Casi todos los motores moleculares obtienen su energía de la hidrólisis del ATP, por esto se les llama ATPasas, la molécula encargada de transportar energía química en las células es capaz de almacenar energía por periodos cortos de tiempo. Una molécula de ATP es bastante inestable, ya que cuenta con dos cargas negativas bastante cercanas y que producen una tensión por fuerzas de repulsión, como consecuencia de la hidrólisis se rompe un enlace químico y como resultado se producen ADP (adenosina difosfato) y Pi (fósforo), moléculas con un menor contenido energético. La energía obtenida por el enlace roto se puede aprovechar por un motor para generar motricidad (Ver figura 4).
Esta molécula se sintetiza a través de un proceso llamado el mecanismo quimiosmotico de Mitchell, en la membrana mitocondrial. Un sistema transportador de electrones produce un gradiente de protones entre ambos lados de la membrana, los protones son atraídos hacia un compartimiento intermembranal en donde los electrones se mueven en una dirección, en una especie de cadena transportadora, la cual genera un potencial eléctrico causando un movimiento que es aprovechado por la mitocondria para sintetizar ATP a partir de ADP y P en los canales de difusión.
En otras palabras el ATP es una pequeña molécula con una función primordial: proporcionar energía inmediatamente utilizable a la maquinaria celular. Estas permiten tener a mano, en un espacio muy reducido, gran cantidad de energía de modo que puede ser utilizada donde y tan pronto se la necesite la mayor parte de la energía se encuentra depositada en las uniones químicas entre los fosfatos de la ATP, llamadas uniones de alta energía, aunque suelen utilizarse la que se encuentra ligada al fosfato terminal. Así cuando el ATP se hidroliza junto con la liberación de energía se genera ADP y un fosfato. Como vemos el ADP se comporta como una pequeña batería de descarga que al cargarse por la unión de un fosfato se convierte en ATP, la batería cargada.
Las generadoras de moléculas de ATP son las mitocondrias, que toman la energía depositada en las uniones covalentes de las moléculas derivadas de los alimentos y las trasfieren al ADP. El ATP así formado sale de la mitocondria y se difunde por toda la célula, de modo que su energía pueda ser usada para la realización de las distintas actividades celulares. Al removerse la energía del ATP se reconstituye el ADP, que vuelven a ingresar a las mitocondrias para recibir una nueva carga de energía (Ver figura 4). Las células poseen una gran cantidad de mitocondrias cuya enrgia es distribuida a través de innumerables moléculas de ATP. Estas como las mitocondrias se localizan cerca de los sitios de consumo.
Figura 4: ESQUEMA DE MOVIMIENTO DE UN MOTOR MOLECULAR MITOCONDRIAL Y EL CICLO DEL ATP
Algunas de las proteínas ATPasas más importantes son la miosina y la kinesina, las cuales son responsables de la contracción muscular y del transporte de cargas dentro de la célula respectivamente.
Las moléculas de miosina se valen de tres partes para lograr un movimiento en los músculos, cada molécula está compuesta por una cadena pesada y dos ligeras.
La cadena pesada es la que se encuentra unida a los filamentos, utiliza la hidrólisis del ATP para generar una diferencia de cargas y lograr moverse, primero se genera repulsión entre la cadena pesada y el filamento, después una vez ocurre la hidrólisis se cambia la composición y se vuelve a sentir una atracción entre la cadena pesada y un filamento. La primera cadena ligera es la encargada de transmitir la energía generada por la hidrólisis del ATP hacia la cadena pesada, así cuando un fosfato es liberado, este se mueve hacia adelante marcando el paso de la miosina, la cual se mueve hacia el siguiente filamento con carga positiva, finalmente la cola es la encargada de regular la actividad del motor molecular y de la interacción con otras moléculas. Cada paso de la miosina está en un rango de 5 a 17 nanómetros (este rango se debe a la gran variedad de miosinas que existen).
La kinesina es el motor encargado del transporte de cargas a través de microtúbulos dentro de la célula, esta se mueve de una forma similar a la miosina, está compuesta de varias partes que cambian su posición al hidrolizar ATP y producen un movimiento en forma de pasos. Estas constan de dos cabezas y se aprovechan de los filamentos en los microtubulos para caminar, a medida que se hidroliza el ATP logran avanzar con una carga en una dirección definida. La kinesina es esencial en el proceso de división celular, este motor molecular se encarga de transportar y de organizar los cromosomas en los polos de la célula antes de su división (Ver figura 5).
Figura 5: OBTENCIAMN DE LA KINESINA, MIOSINA Y DENEINA EN UNA CÉLULA
Nanomotor artificial
Figura 6: NANOMOTOR ARTIFICIAL
(NANOMOTOR TÉRMICO)
Todos estos prototipos de nanomotores se hallan de una u otra forma condicionados por nuestra visión macroscópica del mundo. Sin embargo debemos recordar que las cosas son muy distintas a escala nanoscopicas. Efectos que resultan pequeños o incluso despreciables a nuestra escala adquieren importancia capital a escala de nanómetro y tenidos adecuadamente en cuenta las oportunidades para el desarrollo que nos ofrecen en los nanomotores (Ver figura 6).
Uno de estos es el movimiento termoforético, es decir, la tendencia que muestran las moléculas de gas o de líquido, o los portadores de carga en un conductor, al moverse de caliente a frio en un gradiente de temperatura. Hemos desarrollado que este efecto resulta potencialmente útil en dispositivos nanoscopicos. En nuestro trabajo se empleó calor que genera un nanotubo carbono cuando circula por él una corriente eléctrica para inducir la formación de un gradiente de temperatura a lo largo del tubo.
El gradiente termico induce el movimiento de un pequeño tubo concentico al interior, en direccion de mayor a menor temperatura.
Aunque se trata solo de un prototipo, este motor ofrece una prueba de que en el diseño de dispositivos nanoscopicos, no solo debemos tener en cuenta modelos, sino que hemos de contar con la posibilidad de emplear efectos nuevos, ausentes a escala macrocopica, peri importantes a escala del nanometro.
Funcionamiento:
Figura 7: ESQUEMA DE UN NANOMOTOR TÉRMICO
Un motor nanotermico, el nanotubo multicapa de carbono tiene un puente entre dos electodos de oro. Elemento movil, una placquita de oro, se halla pegado al nanotubo, suspendido entre los electrodos. Cuando a traves del conductor (nanotubo) circula una corriente electrica de cierta intencidad, la plaquita se desliza a lo largo del puente hacia el electrodo mas cercano (Ver figura 7).
Un nanotubo de carbono consite una molécula formada por átomos de carbono dispuestos en forma de tubo, y otro nanotubo sobre él, concéntrico y más corto, que se puede desplazar o bien girar sobre él mismo haciendo el papel de rotor. Al nanotubo corto se le puede añadir una carga metálica, de modo que el dispositivo permite transportar esta carga de un extremo al otro del nanotubo largo, y también hacerla girar alrededor del eje del tubo, sin desplazarse.Se trata de la primera vez que se consigue crear un motor a escala nanométrica que utiliza diferencias de temperatura para generar y controlar el movimiento. Los investigadores han conseguido controlar los movimientos aplicando una diferencia de temperatura en los extremos del nanotubo largo. El nanotubo móvil se desplaza en la dirección de la zona más caliente a la más fría. (Ver figura 8).
Figura 8: SIMULACIÓN DE UN NANOTUBO DE CARBÓN
Conclusiones
Los nanomotores moleculares son dispositivos que pueden transformar la energía de las mitocondrias en movimiento, mediante la hidrolisis del ATP, para este luego aprovecharlo en el transporte de fármacos al interior del cuerpo o eliminar toxinas presentes en el cuerpo humano, todo esto puede ayudar para un adelanto científico en la biomedicina.
Los nanomotores artificiales (nanomotores térmicos) tienen como principio de funcionamiento parecido a los motores comúnmente utilizados, que es mediante la circulación de corriente a través de un conductor, que este caso son los nanotubos multicapa de carbono, mediante un proceso termoforético, que es la tendencia de moléculas de un gas o un líquido de moverse en una zona caliente a una zona más fría.
Referencias
[1]
TEMA: NANOMOTORES TÉRMICOS
AUTOR: KATE WONG
FECHA: 26 DE DICIEMBRE DEL 2011
CORREO ELECTRÓNICO:
http://www.icmab.es/icmab/attachments/633_Nanomotores%20t%C3%A9rmicos.pdf
[2]
TEMA: NANOMOTOR
AUTOR: WIKIPEDÍA
FECHA: 26 DE DICIEMBRE DEL 2011
CORREO ELECTRÓNICO:
http://almadeherrero.blogspot.com/2009_08_01_archive.html
[3]
TEMA: NANOMOTOR MOLECULAR
FECHA: 26 DE DICIEMBRE DEL 2011
CORREO ELECTRÓNICO: http://www.cbm.uam.es/cmurga/clasesMBF/MotoresMoleculares_2011.pdf
[4]
TEMA: NANOMOTOR MOLECULAR
FECHA: 26 DE DICIEMBRE DEL 2011
CORREO ELECTRÓNICO:
http://www.gaceta.udg.mx/Hemeroteca/paginas/524/G524_COT%2015.pdf
[5]
TEMA: NANOMOTOR MOLECULAR
AUTOR: MIGUEL FERRÁ
FECHA: 26 DE DICIEMBRE DEL 2011
CORREO ELECTRÓNICO:
http://miguelferrarotger.blogspot.com/2009/03/fosforilacion-oxidativa.html
[6]
TEMA: MITOCONDRIAS/ PEROXISOMAS
AUTOR: EDUARDO D.P. DE ROBERTIS.
FECHA: 18 DE DICIEMBRE DEL 2011
Autor:
Edison Guamán Vázquez
Universidad politécnica salesiana