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Los motores moleculares son considerados una prometedora frontera en el ámbito de la miniaturización. La naturaleza ya ofrece ejemplos de estos sistemas en las células vivas, donde los motores moleculares utilizan energía para generar movimiento. Durante décadas, los investigadores han intentado replicar estos sistemas biológicos de manera artificial, y los avances en este campo fueron reconocidos con el Premio Nobel de Química en 2016.
Los científicos desarrollaron por primera vez motores moleculares alimentados directamente por electricidad en 2011. Sin embargo, esos diseños iniciales operaban sobre superficies y dependían de la punta de un microscopio de túnel de escaneo para impulsar su movimiento. El nuevo motor adopta un enfoque diferente, tomando como base su diseño del tornillo de Arquímedes, una de las máquinas más antiguas de la historia. Tradicionalmente utilizado para mover agua cuesta arriba, este dispositivo simple se basa en una espiral rotativa para transportar material.
Los investigadores adaptaron ese principio a la escala molecular. En lugar de mover agua, su diseño permite que los electrones viajen a través de una molécula con forma de espiral, provocando que esta gire al pasar la corriente eléctrica. El componente central del motor es una molécula espiral especialmente diseñada por el grupo de investigación del Prof. Michael Pittelkow en la Universidad de Copenhague. Con un tamaño de solo unos pocos millonésimos de milímetro, la molécula puede unirse a superficies de oro a través de átomos de azufre.
En el Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, investigadores liderados por el Prof. Oren Tal y el Dr. Anil Kumar Singh posicionaron moléculas individuales entre dos puntas de oro afiladas a dimensiones atómicas. Al cambiar cuidadosamente la separación entre estos electrodos, el equipo pudo estirar o comprimir el tornillo molecular. Cuando los científicos aplicaron un voltaje eléctrico, las mediciones revelaron que la molécula comenzó a rotar. Aún más importante, pudieron invertir su dirección simplemente cambiando la polaridad del voltaje.
Esto representa la primera demostración de un motor molecular que es impulsado por corriente eléctrica, firmemente conectado a dos electrodos metálicos y capaz de rotar en una dirección controlable.
La fuerza motriz proviene directamente de los electrones que viajan a través de la molécula en espiral. A medida que se desplazan, 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, de manera análoga a la diferencia entre tornillos con roscas de derecha o de izquierda. Una vez que el voltaje aplicado supera un cierto umbral, el movimiento se convierte en rotación continua.
Sin embargo, los experimentos revelaron otro efecto intrigante. La molécula en rotación conducía electricidad de manera mucho más eficiente que cuando estaba en reposo, lo que plantea una importante pregunta sobre lo que estaba sucediendo dentro de esta diminuta máquina.
Para investigar este comportamiento inesperado, el Prof. Dr. Fabian Pauly y sus estudiantes de doctorado, Léon Martin y Yuta Ito, que trabajan en la Cátedra de Física Teórica I de la Universidad de Augsburgo, 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 cambia drásticamente dependiendo del ángulo de la molécula, aumentando hasta en dos órdenes de magnitud, o 100 veces, durante la rotación.
La razón resultó ser particularmente sorprendente. Algunas de las posiciones moleculares que permiten que la electricidad pase más fácilmente son también posiciones que la molécula evita naturalmente cuando no está en movimiento. La rotación hace accesibles esos arreglos altamente conductivos. "Lo sorprendente es que son precisamente las posiciones que la molécula evita cuando está en reposo las que conducen mejor la electricidad. Solo la rotación hace que estas posiciones sean accesibles", explica Léon Martin.
Este hallazgo demuestra que el movimiento molecular no solo consume energía eléctrica. El movimiento en sí puede influir fuertemente en cómo fluye la electricidad a través de la máquina.
Los investigadores trabajaron junto a los físicos teóricos Per Hedegård, del Instituto Niels Bohr en Copenhague, y Jing-Tao Lü, de la Universidad de Huazhong de Ciencia y Tecnología en Wuhan. Utilizando los resultados de las simulaciones, los científicos desarrollaron un modelo teórico simplificado que logró recrear con éxito tanto la rotación observada en los experimentos como el aumento de la corriente eléctrica asociado. Esta combinación de mediciones experimentales y cálculos teóricos fue fundamental para entender el mecanismo subyacente. Aunque los investigadores pudieron medir la corriente que pasaba a través de la molécula, necesitaban las simulaciones para determinar lo que ocurría a una escala tan extraordinariamente pequeña.
"En el experimento, solo se observa la corriente. Nuestros cálculos nos permiten vislumbrar lo que sucede dentro del nanocontacto. Solo a través de una estrecha colaboración entre la experimentación y la teoría en varios países se pudo resolver el misterio del aumento de la corriente", afirma Yuta Ito, un estudiante de doctorado originario de Japón.
Una nueva frontera para la electrónica molecular. Este logro podría contribuir eventualmente al desarrollo de componentes y tecnologías electrónicas moleculares que involucren la espintrónica, la cual utiliza propiedades de los electrones más allá de su carga eléctrica. También podría ofrecer posibilidades para sistemas microfluídicos, que manipulan cantidades extremadamente pequeñas de fluidos.
Más allá de estas aplicaciones potenciales, el motor proporciona a los científicos una nueva forma de investigar procesos físicos a escala atómica. Su capacidad para convertir electricidad en rotación controlada, al tiempo que permite que esa rotación influya en la corriente eléctrica, introduce un nuevo principio para diseñar máquinas extraordinariamente pequeñas. "Hemos demostrado que una corriente eléctrica puede utilizarse para generar una rotación dirigida y que esta rotación, a su vez, controla la corriente. Este es un nuevo principio operativo para máquinas en los límites de la miniaturización", explica Pauly.
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 (número de proyecto 492723217). La investigación computacional se llevó a cabo utilizando el supercomputador LiCCA de la Universidad de Augsburgo (número de proyecto DFG 499211671).
El apoyo adicional para las instituciones colaboradoras provino del Consejo Europeo de Investigación (ERC, Horizonte 2020, Subvención 864008), la Fundación Científica de Israel (2129/23), la Fundación Minerva, la Fundación Villum, la Fundación Novo Nordisk, el Fondo de Investigación Independiente de Dinamarca (DFF), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Entre los temas relacionados se encuentran la materia y energía, la espintrónica, la física, la electrónica de consumo, la química, la energía y recursos, la electricidad, la naturaleza del agua y la tecnología. Estos campos son fundamentales para comprender el impacto y las aplicaciones potenciales de la máquina molecular desarrollada.
En cuanto a los términos relacionados, se destacan la ingeniería eléctrica, la energía solar, la generación de electricidad, la nanotecnología, el péndulo de Foucault, los semiconductores, las turbinas eólicas y los nanotubos de carbono. Estos conceptos son relevantes en el contexto de la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en la miniaturización y el control molecular.
La información fue proporcionada por la Universidad de Augsburgo. Cabe destacar que el contenido puede ser editado por motivos de estilo y extensión.
La referencia del artículo es la siguiente: Anil Kumar Singh, León Martin, Matea Sršen, Freja Schou Guttesen, Bing-Zhong Hu, Yuta Ito, Stephan Korsgaard Pedersen, Fadhil Suleiman Kamounah, Fabian Pauly, Michael Pittelkow, Jing-Tao Lü, Per Hedegård, Oren Tal. "Máquina molecular impulsada por corriente con conductancia mejorada por rotación". Nature, 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-11312-x.
Fuente original: ScienceDaily.
