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
LINEALESb. 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