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Investigadores diseñan nano-propulsores impulsados por luz

Un equipo de investigadores formados por profesores del departamento de Física de la UPC, del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, Universitat de Barcelona, Y de la Universidad de Wisconsin-Madison, USA, han diseñado el prototipo teórico de un nano-swimmer que es podría impulsar direccionalmente con luz.
Investigadores diseñan nano-propulsores impulsados por luz
Molécula de Fullerè C_60 inmerso en moléculas de agua (oxígeno rojo, hidrógeno gris)

A nivel microscópico es muy conocida la capacidad de autopropulsión de microorganismos y células. Es mucho más reciente pero el intento de crear partículas artificiales con esta misma capacidad, a pesar de que su utilidad potencial es muy evidente en aplicaciones como la medicina, reflejada ya hace mucho de tiempo en películas de ciencia ficción como Fantastic Voyage. El primer micro-swimmer artificial es de hace apenas unos 15 años, y consiste en una pequeña barra de oro-platino de dos micrómetros de longitud. Hasta el momento actual se han diseñado unos cuántos más, el rasgo común es la escala micrométrica y también el hecho que es difícil controlar-los externamente, puesto que la mayoría de mecanismos es basen en reacciones químicas a su superficie. Dentro del campo es consideren como objetivos prioritarios el disminuir su escala hasta el nanómetro, una reducción muy sustancial, y tener la capacidad de controlar su movimiento. Aquí es donde entra nuestro trabajo, que aprovecha la investigación básica que habíamos hecho anteriormente en mecanismos de transferencia de energía a nivel molecular, para diseñar un swimmer nanoscòpic controlado por luz. Es trata de una molécula de fulllerè C60 inmerso en agua, la propulsión del cual se logra mediante la absorción de radiación externa por parte de una molécula enganchada a su superficie, y que hace pues el papel de propulsor. La propuesta es teórica, es trata a nuestro entender del primer modelo numérico de nanoswimmer en que la simulación que es hace incluye todos los átomos del sistema, en contraste con los micro-swimmers, donde es usan modelos fenomenológicos. Nuestro cálculo es puede describir pues como first-principles o all-atom, y hemos demostrado que la propulsión emerge sin ningún tipo de aproximación adicional. Dado que es requiere la simulación de un cuarto de millón de moléculas de agua, ha estado clave el uso de los recursos de supercomputación del BSC.

A la imagen que acompaña se puede ver una molécula de Fullerè C_60 de aproximadamente 1 nanómetro de diámetro (en gris) inmerso en 260,000 moléculas de agua (oxígeno rojo, hidrógeno gris). Un dipolo diatómico (amarillo y azul) está ligado al fullerè. Mediante radiación óptica se inducen transiciones electrónicas fluorescentes en el dipolo. Estas transiciones se caracterizan por un cambio periódico de la distribución de cargas del dipolo, el que produce reorientaciones rápidas de las moléculas de agua de su entorno inmediato debido a las fuertes interacciones electrostáticas. Esta transferencia de energía da lugar a un calentamiento inhomogeneo en el entorno del fullerè, que viene acompañada d´una velocidad de propulsión en la dirección contraría al calentamiento, un fenómeno conocido como auto-termofòresi, hasta ahora solo observado a escala micrométrica.

Más información:

Calero, Carles, Edwin L. Sibert III, and Rossend Rey. "Self-thermophoresis at the nanoscale using light induced solvation dynamics", Nanoscale (2020).

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