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(Noticias de Nanowerk) Los motores rotativos moleculares se desarrollaron por primera vez en 1999 en el laboratorio de Ben Feringa, profesor de química orgánica en la Universidad de Groningen. Estos motores funcionan con luz. Sería bueno poder visualizar estas moléculas motoras por muchas razones. La mejor manera de hacer esto es hacerlos fluorescentes. Sin embargo, combinar dos funciones mediadas por la luz en una sola molécula es todo un desafío. Labor Feringa ahora ha logrado hacer precisamente eso de dos maneras diferentes.
Ambos tipos de motores rotativos accionados por luz fluorescente se han descrito en comunicación de la naturaleza («Interacción sinérgica entre la fotoisomerización y la fotoluminiscencia en un motor rotativo molecular impulsado por la luz») y avances científicos («Motores moleculares artificiales de doble función que realizan rotación y fotoluminiscencia»).
«Tras el exitoso diseño de motores moleculares en las últimas décadas, un próximo objetivo importante fue utilizar dichos motores para controlar diversas funciones y propiedades», explica Feringa, quien recibió el Premio Nobel de Química en 2016. «Debido a que estos son motores rotativos alimentados por luz, es particularmente desafiante diseñar un sistema que, además del movimiento rotatorio, tenga otra función controlada por la energía de la luz».
![Dos fotofunciones, la fotoluminiscencia (PL) y la rotación unidireccional, se combinan mediante la hibridación de un tinte PL y un motor molecular](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61787_1.jpg)
Único
Feringa y su equipo estaban particularmente interesados en la fluorescencia porque es un método importante que se usa ampliamente para la detección, por ejemplo, en imágenes biomédicas. Normalmente, dos eventos fotoquímicos de este tipo en la misma molécula son incompatibles; el motor alimentado por luz está funcionando y no hay fluorescencia, o hay fluorescencia y el motor no funciona. Feringa: «Ahora hemos demostrado que ambas funciones pueden coexistir en el mismo sistema molecular, lo cual es bastante único».
Ryojun Toyoda, un postdoctorado en el grupo Feringa que ahora ocupa una cátedra en la Universidad de Tohoku en Japón, agregó un tinte fluorescente a un motor rotativo clásico de Feringa. «El truco consistía en evitar que estas dos funcionalidades se bloquearan entre sí», dice Toyoda. Logró borrar las interacciones directas entre el tinte y el motor. Esto se logró colocando el tinte perpendicular a la parte superior del motor al que estaba unido. «Limita la interacción», explica Toyoda.
Colores diferentes
De esta manera, la fluorescencia y la función de giro del motor pueden coexistir. También resultó que cambiar el solvente le permite ajustar el sistema: «Al variar la polaridad del solvente, se puede alterar el equilibrio entre las dos funciones». Por lo tanto, el motor se ha vuelto sensible a su entorno, lo que podría señalar el camino para futuras aplicaciones.
La coautora Shirin Faraji, profesora de química teórica en la Universidad de Groningen, ayudó a explicar cómo sucede esto. Kiana Moghaddam, postdoctorado en su grupo, realizó extensos cálculos de mecánica cuántica y mostró cómo las energías clave que gobiernan la dinámica fotoexcitada dependen en gran medida de la polaridad del solvente.
Otra propiedad útil de esta molécula motora fluorescente es que se le pueden unir diferentes tintes siempre que tengan una estructura similar. «Así que es relativamente fácil hacer motores que brillen con diferentes colores», dice Toyoda.
antena
Lukas Pfeifer construyó un segundo motor de fluorescencia, también como posdoctorado en el grupo Feringa. Desde entonces ha estado trabajando en la École Polytechnique Fédérale en Lausana, Suiza: “Mi solución se basó en una molécula de motor que ya había fabricado, que funciona con dos fotones del infrarrojo cercano de baja energía”. La luz infrarroja es útil en los sistemas biológicos porque esta luz penetra más profundamente en el tejido que la luz visible y es menos dañina para el tejido que la luz ultravioleta.
“Agregué una antena a la molécula del motor que recolecta la energía de dos fotones infrarrojos y la transmite al motor. Descubrimos que la antena también puede causar fluorescencia con algunas modificaciones», dice Pfeifer. Resultó que la molécula puede tener dos estados excitados diferentes: en un estado, la energía se transfiere a la parte del motor e impulsa la rotación, mientras que el otro estado hace que la molécula brille.
![Motor de doble función fabricado mediante la unión química de una antena a un motor molecular](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61787_2.jpg)
función de onda
«En este segundo motor, toda la molécula emite fluorescencia», explica el profesor Maxim Pshenichnikov, que realizó análisis espectroscópicos de ambos tipos de motores fluorescentes y es coautor de ambos artículos. “Este motor es una entidad química en la que la función de onda no está localizada y que puede tener dos efectos distintos según el nivel de energía. Al cambiar la longitud de onda de la luz y, por lo tanto, la energía que recibe la molécula, se obtiene rotación o fluorescencia». Faraji agrega: «Nuestro enfoque práctico y de principios sinérgicos destaca la interacción entre los estudios teóricos y experimentales e ilustra el poder de tales esfuerzos combinados. »
Ahora que el equipo ha combinado el movimiento y la fluorescencia en la misma molécula, el siguiente paso sería mostrar la movilidad y, al mismo tiempo, identificar la posición de la molécula mediante el seguimiento de la fluorescencia. Feringa: «Esto es muy poderoso y podríamos usarlo para mostrar cómo estos motores pueden cruzar una membrana celular o moverse dentro de una célula, ya que la fluorescencia es una técnica ampliamente utilizada para mostrar dónde se encuentran las moléculas en las células. También podríamos usarlo para rastrear el movimiento inducido por el motor alimentado por luz, digamos en una trayectoria a nanoescala, o tal vez rastrear el transporte inducido por el motor a nanoescala. Todo esto es parte de la investigación”.
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