Máquina molecular surfa sobre superfície irregular

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/10/2010

A máquina molecular quadrúpede pode levantar as duas "patas" de cada lado ao mesmo tempo, sem cair, e sem virar para os lados, caminhando perfeitamente em linha reta.
[Imagem: Bartels Lab/UC Riverside]

As máquinas moleculares podem ser encontradas por toda a natureza, por exemplo, transportando proteínas pelas células e auxiliando o metabolismo.

São elas que estão servindo de inspiração para os cientistas que estão desenvolvendo as nanomáquinas, ou máquinas moleculares artificiais.

Máquinas bípedes e quadrúpedes

Nesse caminho, uma equipe da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, está estudando uma classe de máquinas moleculares capazes de andar sobre uma superfície plana de metal.

Agora, eles apresentaram suas mais novas criações: máquinas moleculares bípedes, que andam sobre duas pernas, e quadrúpedes, que andam de quatro.

"Nós fizemos uma estrutura parecida com um cavalo, com quatro 'patas', para estudar como as máquinas moleculares podem organizar o movimento de várias partes," explica o químico Ludwig Bartels, que coordenou a pesquisa.

Em 2007, Bartels e sua equipe criaram a primeira molécula capaz de carregar peso, uma espécie de caminhão molecular, que transporta moléculas de dióxido de carbono ao longo de uma linha reta.

Nanomáquina com patas

Nesta nova pesquisa, os cientistas queriam criar uma molécula que pudesse transportar mais carga. Isso significa que seria necessário acrescentar mais pernas à máquina molecular sintética.

O grande desafio era coordenar o movimento de um maior número de pernas.

A máquina molecular quadrúpede pode levantar as duas "patas" de cada lado ao mesmo tempo, sem cair, e sem virar para os lados, caminhando perfeitamente em linha reta.

Os pesquisadores até que tentaram simular o trote de um cavalo, em que as pernas diagonalmente opostas se movimentavam ao mesmo tempo - mas a máquina molecular se distorce e adquire um movimento totalmente irregular, inviabilizando seu uso.

Tunelamento quântico

A máquina molecular literalmente surfa sobre a superfície, mas não acompanhando a superfície das irregularidades, e sim atravessando-as, como um fantasma atravessaria uma parede.
[Imagem: Cheng et al./JACS]

Mas uma "maravilha" da mecânica quântica veio em auxílio da máquina molecular bípede, que alcançou velocidades muito maiores graças ao fenômeno do tunelamento quântico.

Imagine andar com seu carro por uma estrada cheia de saliências e quebra-molas e, em vez de ficar pulando, os pneus do seu carro simplesmente passassem através desses obstáculos, sem nenhum solavanco: é mais ou menos isso o que o tunelamento permite, com as "pernas" da máquina molecular atravessando as irregularidades da superfície, ou tunelando por elas.

A máquina molecular literalmente surfa sobre a superfície, mas não acompanhando a superfície das irregularidades, e sim atravessando-as, como um fantasma atravessaria uma parede.

O fenômeno do tunelamento quântico é largamente conhecido quando se trata de partículas pequenas, como elétrons e átomos de hidrogênio. Mas os cientistas ficaram surpresos ao ver que ele funciona também com as grandes moléculas orgânicas.

O fenômeno do tunelamento, contudo, não foi observado com a máquina molecular de quatro patas. Os pesquisadores acreditam que isso se dá porque seria necessária uma "coordenação" do tunelamento das duas patas laterais simultaneamente, o que é muito improvável de acontecer.

Velocidade ou peso

"Assim, em nanoescala, se você quiser um transporte rápido de carga, você vai precisar de um veículo bípede leve e ágil," disse Bartels. "Veículos de dimensões maiores podem ser capazes de transportar mais carga, mas como eles não conseguem usar o tunelamento de forma eficaz, eles acabam tendo que se mover mais lentamente."

Mas em vez de se mostrar desencorajador, o movimento mais lento do "cavalo molecular" acabou se mostrando extremamente útil, na medida que está permitindo que os cientistas estudem em detalhes os aspectos da mecânica quântica envolvidos no movimento.

Como veículos de carga, os cientistas usaram as moléculas antraquinona e pentaquinona, como veículos bípedes, e pentacenetetrona e dimetil-pentacenetetrona, ambas quadrúpedes - veja também Nanodragster arranca rumo ao futuro das máquinas moleculares.

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