Nanoautos se preparan para la carrera molecular más sorprendente del mundo.

¿Ha oído hablar de las 24 Horas de Le Mans, la agotadora carrera de resistencia de un día que se celebra cada año en el sur de Francia? Muy cerca de allí, en Toulouse, científicos se están preparando para una carrera aún más larga, sin precedentes. No se llevará a cabo en una pista clásica, sino en el circuito de carreras de oro más pequeño que se haya construido. Es la primera carrera de nanoautos o nanocarrera. Por muy divertido que parezca, la carrera tiene un objetivo científico serio: probar un microscopio de efecto túnel (STM) instalado recientemente en el sur de Francia. La carrera también proporcionará nuevas ideas sobre cómo los nanoautos pueden manejar las condiciones extremas.

Christian Joachim, investigador del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia (CNRS, por sus siglas en inglés) y organizador de la nanocarrera, dice que “gracias al progreso de los sistemas STM, ahora es posible manipular átomos individuales o incluso moléculas”. “Con el nuevo microscopio de cuatro puntas, varias personas pueden trabajar simultáneamente en la misma superficie. Esta técnica aumentará en última instancia la velocidad operacional de un instrumento, que de otro modo, sería lento”, agrega. Esto significa que cuatro nanoautos se pueden 'conducir' independientemente, con cada extremidad que acciona una máquina. Los electrones que fluyen desde cada punta serán, en efecto, el combustible del nanoauto, –impulsándolo– y la máquina ganadora será la que viaje más lejos.

Hace alrededor de un mes, tres de los seis equipos asistentes participaron en una vuelta de ensayo en Toulouse. Éric Masson, uno de los líderes del equipo americano Ohio Bobcat Nano-Wagon e investigador de la Universidad de Ohio en los Estados Unidos, está entusiasmado con “llegar a usar este sorprendente STM de cuatro puntas”. Nunca había trabajado en nanoautos antes, pero había sintetizado otras súper moléculas. Decidió combinar algunas de ellas y diseñar un nanoauto por primera vez.

“Nuestro diseño combina la estética y la practicidad. Yo había trabajado previamente en macro ciclos que podrían ser fácilmente imaginados como las ruedas y pseudorotaxanos con un componente de eje rígido”. El equipo de Ohio construyó su nanoauto de una manera elegante: “suspendemos el marco en el agua, luego añadimos las ruedas y el auto se ensambla automáticamente paso a paso.

Cuando añadimos la última rueda, el coche se vuelve repentinamente soluble en agua y el precipitado desaparece”, explica Masson. La complejidad de la estructura del nanoauto sugiere que tendría un espectro de NMR altamente complejo. Pero Masson dice que este no es el caso gracias a la simetría del nanoauto, “la NMR es prístina, no hay duda de dónde terminan las ruedas”.

Competir hasta el final

Waka Nakanishi, jefa y diseñadora del equipo japonés NIMS-NAMA e investigadora del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón, dice que “el objetivo de la carrera es ver cómo se comportan las moléculas bajo estas particulares condiciones”. “Estamos haciendo esta carrera para divertirnos y compartir [la importancia de nuestros] descubrimientos con el mundo”, añade. El principal desafío para su equipo es conseguir que los nanoautos se metan en la pista de oro y eventualmente obtener la imagen con el microscopio STM. Ella sigue siendo optimista, “como hay millones de carros, si uno de ellos es destruido siempre podemos usar uno diferente [y continuar la carrera]”, dice Nakanishi.

We-Hyo Soe, uno de los 'pilotos' del equipo japonés y titular del récord mundial Guinness 2012 por la máquina funcional más pequeña del mundo, explica a Chemistry Worldwhy que la carrera tomará 38 horas “debido a que tenemos que mantener la pista a temperaturas criogénicas de alrededor de 5K (-268 ° C), y estamos limitados por la capacidad de nuestro tanque de helio”. Para Soe, “ganar la carrera no es importante”, ya que se trata de expandir la comprensión del comportamiento de las máquinas moleculares.

Sin embargo, Gwénaël Rapenne, líder del equipo del Toulouse Nanomobile Club y profesor de química de la Universidad de Toulouse, dice: “¡El objetivo de esta carrera es ganar! Broma aparte, el verdadero objetivo es utilizar el nuevo microscopio de punta STM, que es único en el mundo”. Rapenne también ve la nanocarrera como una oportunidad maravillosa de encontrar nuevas fuentes de financiamiento. “No podemos usar el dinero público para financiar eventos como la carrera, pero también es complicado conseguir que las empresas privadas financien la investigación fundamental, porque su aplicación está demasiado lejos”. La nanocarrera ha sido patrocinada por compañías como Toyota, Peugeot o Michelin. Rapenne dice que el apoyo de las compañías de automóviles les ayudará a desarrollar su nuevo microscopio STM. El equipo francés cuenta con dos coches: su nanoauto original, tecno-mimético, con enlace covalente y su recién diseñado nanoauto-curvo, ’el buggy verde' como la molécula realmente verde que minimiza las interacciones con la pista. Rapenne dice que “los conjuntos moleculares con enlaces covalentes son mucho más estables, rígidos y precisos que los nanoautos autoensamblados”. Según Rapenne, “moléculas similares pueden durar hasta seis meses dentro del STM. ¡Son increíblemente estables!”.

Máquinas soñadas

A pesar de que existe una cierta rivalidad, todos los líderes de equipo coinciden en que la carrera beneficiará su campo. Muchos están emocionados porque el Premio Nobel de química 2016 fue otorgado a un tema que está cerca de sus corazones: máquinas moleculares. “Estoy muy contento por mi supervisor de doctorado, Jean-Pierre Sauvage”, dice Rapenne. “Hasta ahora, mucha gente pensaba que las máquinas moleculares eran solo divertidas para jugar y no tenían uso en el mundo real. El Premio Nobel reconoce la verdadera importancia del campo”, añade. “Sin duda impulsará la investigación en máquinas moleculares”, afirma Soe.

Steve Goldup, que trabaja en moléculas entrecruzadas y máquinas moleculares en la Universidad de Southampton, Reino Unido, dice que “tal vez esta nanocarrera capture la imaginación de una manera que un premio Nobel no lo logra, porque es una idea muy simple: la gente realmente hizo diminutos coches y van a competir con ellos”. Goldup dice que es mentalmente provocador que “algunas de las estructuras no son coches reconocibles en el sentido común pues no tienen cuatro ruedas, un chasis y un motor”. ‘Sabemos cómo mover las cosas a la escala macroscópica: ¿Qué funcionará mejor en la nanoescala, en una superficie de oro?”, se pregunta. Añade que el STM con cuatro puntas es la verdadera estrella del espectáculo. “Este tipo de técnicas de imagen será útil no solo en nanotecnología, sino también en aplicaciones biológicas y es una gran idea desafiar el sistema a ser rápido”.

Goldup añade que ‘sería muy bueno tener una opción de apuestas en el sitio web”, él tiene su favorito. “Mi dinero iría al equipo suizo, porque el diseño es muy simple y un poco contraintuitivo”, dice. “El nano-molino de viento alemán también está muy bien”.

Masson dice que la carrera se llevará a cabo del 27 al 29 de abril del próximo año. Después de dos rondas de clasificación, cuatro equipos llegarán a la carrera final de 38 horas. “Cada imagen tarda unos cinco minutos en llegar, y el nanoauto solo se mueve en pequeños pasos de 3nm”, explica Joachim. Casi seguramente habrá paradas en ‘pits’ para que los conductores se intercambien. El comité organizador también ha acondicionado espacios para que los conductores descansen. “¡Pero en caso de que quieran permanecer despiertos, el fabricante del microscopio nos ofreció una cafetera gratis!”, Bromea Joachim.