Motor browniano

Cinesina, un ejemplo de un motor molecular que usa ATP para "caminar" a lo largo de microtúbulos, ahora se cree que es un ejemplo de un motor browniano

Los motores brownianos son máquinas moleculares o a nanoescala que utilizan reacciones químicas para generar movimiento dirigido en el espacio.​ La teoría detrás de los motores brownianos se basa en el fenómeno de Movimiento browniano, movimiento aleatorio de partícula (física) suspendidos en un fluido (un líquido o un gas) resultante de su collision con los molécula de movimiento rápido en el fluido.​

En el nanoscale (1-100 nm), viscosidad domina inercia, y el grado extremadamente alto de thermal noise en el entorno hace que el movimiento dirigido convencional sea casi imposible, porque los fuerza que impulsan estos motores en la dirección deseada son minúsculos en comparación con el random forces ejercido por el medio ambiente. Los motores brownianos funcionan específicamente para utilizar este alto nivel de random noise para lograr un movimiento dirigido y, como tales, solo son viables en el nanoscale.​

El concepto de motores brownianos es reciente, ya que solo fue acuñado en 1995 por Peter Hänggi, pero la existencia de tales motores en la naturaleza puede haber existido durante mucho tiempo y ayudar a explicar célula crucial que requiere movimiento en el nanoscale, como biosíntesis proteica y muscular contraction. Si este es el caso, los motores brownianos pueden tener implicaciones para los cimientos del propio vida.​

En tiempos más recientes, los humanos han intentado aplicar este conocimiento de los motores brownianos naturales para resolver problemas humanos. Las aplicaciones de los motores brownianos son más obvias en nanorrobótica debido a su dependencia inherente del movimiento dirigido.​​

Historia

Siglo XX

This is a simulation of the Brownian motion of a big particle (dust particle) that collides with a large set of smaller particles (molecules of a gas) which move with different velocities in different random directions.

The Place of the Solitaires (El lugar de los solitarios)  Let the place of the solitaires  Be a place of perpetual undulation.  Whether it be in mid-sea  On the dark, green water-wheel,  Or on the beaches,  There must be no cessation  Of motion, or of the noise of motion,  The renewal of noise  And manifold continuation;  And, most, of the motion of thought  And its restless iteration,  In the place of the solitaires,  Which is to be a place of perpetual undulation.   Deja que el lugar de los solitarios   Sea un lugar de ondulación perpetua.   Ya sea en medio del mar   En la rueda de agua verde oscuro,   O en las playas   No debe haber cesación   Del movimiento, o del ruido del movimiento,   La renovación del ruido   Y una continuación múltiple;   Y, la mayor parte del movimiento del pensamiento   Y su iteración inquieta,   En el lugar de los solitarios   Que será un lugar de ondulación perpetua. —Wallace Stevens (1879-1955).

El término "motor browniano" fue inventado originalmente por el físico teórico suizo Peter Hänggi en 1995.​ El motor browniano, como los fenómenos del movimiento browniano que sustentaron su teoría subyacente, también recibió su nombre del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown, quien, mientras miraba a través de un microscopio en polen del plantae Clarkia pulchella sumergido en agua, describió el movimiento aleatorio de las partículas de polen en el agua en 1827. En 1905, casi ochenta años después, theoretical physicist Albert Einstein publicó a paper donde modeló el movimiento del polen como si fuera movido por el individuo molécula de agua,​ y esto fue verificado experimentalmente por Jean Perrin en 1908, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1926 "por su trabajo sobre la estructura discontinua de la materia".​ Estos desarrollos ayudaron a crear los fundamentos de las teorías actuales del mundo nanoscale.

Nanotecnología ha permanecido tradicionalmente durante mucho tiempo en la intersección de las ciencias físicas de física y química, pero los desarrollos más recientes en la investigación la posicionan cada vez más fuera del alcance de cualquiera de estos dos campos tradicionales.​

Siglo XXI

En 2002, Dean Astumian, profesor de Instituto Estadounidense de Física en Physics Today en física, y Universidad de Maine, profesor de Orono en Peter Hänggi, física teórica, publicó un artículo fundamental sobre motores brownianos en la revista University of Augsburg Alemania, "Motores Brownianos". Allí, propusieron el entonces novedoso concepto de motores brownianos y postularon que "el movimiento térmico combinado con la energía de entrada da lugar a una canalización del azar que puede usarse para ejercer control sobre sistemas microscópicos". Astumian y Hänggi proporcionan en su artículo una copia del poema Wallace Stevens de 1919, The Place of the Solitaries, para ilustrar elegantemente, desde una perspectiva abstracta, la naturaleza incesante del ruido.

Inspirados por el fascinante mecanismo por el cual las proteínas se mueven frente al ruido térmico, muchos físicos están trabajando para comprender los motores moleculares a escala mesoscópica. Una idea importante de este trabajo es que, en algunos casos, el ruido térmico puede ayudar al movimiento dirigido al proporcionar un mecanismo para superar las barreras de energía. En esos casos, se habla de "motores brownianos". En este artículo, nos enfocamos en varios ejemplos que resaltan algunos conceptos físicos subyacentes prominentes que han surgido. Pero primero notamos que también a los poetas les ha fascinado el ruido; ver recuadro 1.

...

En el mundo microscópico, “No debe haber cesación / De movimiento, o del ruido del movimiento” (recuadro 1). En lugar de luchar contra él, los motores brownianos aprovechan el ruido incesante para mover partículas de manera eficiente y confiable.

Un año después del artículo Astumian-Hänggi, el grupo de química orgánica David Leigh's informó sobre los primeros motores Brownianos moleculares artificiales.​ En 2007, el mismo equipo informó sobre un trinquete de información molecular inspirado en Demonio de Maxwell.​

Otra demostración importante de nanoingeniería y nanotecnología fue la construcción de un práctico motor browniano artificial por IBM en 2018.​ Específicamente, se creó un paisaje energético al dar forma con precisión a una rendija nanofluidic, y luego se utilizaron potenciales alternos y un campo eléctrico oscilante para “rockear”. ”nanopartículas para producir movimiento dirigido. El experimento hizo que los nanopartícula se movieran con éxito en una pista con la forma del contorno del logotipo de IBM y constituye un hito importante en el uso práctico de los motores brownianos y otros elementos del nanoscale.

The Sydney Nanoscience Hub, a AU$150 million purpose-built facility for nanoscale research and education.

Además, diversas instituciones alrededor del mundo, como el Universidad de Sídney Nano Institute, con sede en el Sydney Nanoscience Hub (SNH), y el Swiss Nanoscience Institute (SNI) en el Universidad de Basilea, son ejemplos de la actividad investigadora emergente en el campo de la nanociencia. Los motores brownianos siguen siendo un concepto central tanto en la comprensión de los motor molecular naturales como en la construcción de nanotecnología útiles que implican movimiento dirigido.​​

La investigación en nanociencia dentro del Swiss Nanocience Institute (SNI) se centra en áreas de beneficio potencial para las ciencias de la vida, la sostenibilidad y las tecnologías de la información y las comunicaciones. El objetivo es explorar fenómenos a nanoescala e identificar y aplicar nuevos principios pioneros. Esto implica que los investigadores se sumerjan en el mundo de los átomos y moléculas individuales. En este nivel, las disciplinas clásicas de física, biología y química se fusionan en una. La colaboración interdisciplinar entre diferentes ramas de la ciencia e instituciones es, por tanto, un elemento clave del trabajo diario del SNI.

Teoría

El modelo de trinquete sirve como base teórica del motor browniano

El thermal noise del nanoscale es tan bueno que moverse en una dirección particular es tan difícil como “caminar en un ciclón tropical” o “nadar en melaza”.​ El funcionamiento teórico del motor browniano se puede explicar mediante la teoría de trinquete, en la que se permite que fluctuaciones térmicas aleatorios fuertes muevan la partícula en la dirección deseada, mientras que energía se gasta para contrarrestar los fuerza que producirían movimiento (física) en la dirección opuesta. Este movimiento puede ser tanto lineal como rotacional. En el sentido biológico y en la medida en que este fenómeno aparece en la naturaleza, existe ya que energía química se obtiene de la molécula adenosín trifosfato (ATP).

El Brownian ratchet es un móvil perpetuo aparente que parece violar el Second Law of Thermodynamics, pero luego fue desacreditado tras un análisis más detallado por Richard Feynman y otros físico. La diferencia entre los motores brownianos reales y los Brownian ratchet ficticios es que solo en los motores brownianos hay una entrada de energía para proporcionar el fuerza necesario para mantener el motor en su lugar y contrarrestar los thermal noise que intentan mover el motor en la dirección opuesta.​

Debido a que los motores brownianos se basan en la naturaleza aleatoria de thermal noise para lograr el movimiento dirigido, son de naturaleza estocástico, ya que pueden analizarse statistically pero no predecirse con precisión.​

Ejemplos en la naturaleza

En biología, gran parte de lo que entendemos que son proteína basados ​​en motor molecular también pueden ser motores Brownianos. Estos motores moleculares facilitan célula crítico en ser vivo y, de hecho, son fundamentales para vida en sí.

Los investigadores han logrado avances significativos en términos de examinar estos proceso biológico para obtener una idea de su funcionamiento interno. Por ejemplo, en los seres humanos existen motores brownianos moleculares en forma de varios tipos diferentes de proteína. Dos motores brownianos biomolecular comunes son ATP sintasa, un motor rotativo, y miosina, un motor lineal.​ La proteína motora ATP sintasa produce momento de fuerza rotacional que facilita la síntesis de ATP a partir de Adenosín difosfato (ADP) y fosfato inorgánico (P_i) a través de la siguiente reacción general:

ADP + P_i + 3H⁺_out ⇌ ATP + H₂O + 3H⁺_in

En contraste, el momento de fuerza producido por miosina es lineal y es una base para el proceso de contracción muscular.​ proteína motora similares incluyen cinesina y dineína, que convierten la energía química en trabajo mecánico mediante el hidrólisis de ATP. Muchos proteína motora dentro de human cells actúan como motores brownianos al producir un movimiento dirigido en el nanoscale, y algunas proteínas comunes de este tipo se ilustran en el siguiente computer-generated images.

• Proteínas que actúan como motores brownianos dentro de las células humanas
• 
  ATP sintasa
• 
  Miosina II
• 
  Kinesina
• Dineina

Aplicaciones

Nanorobótica

La relevancia de los motores brownianos para el requisito de movimiento dirigido en nanorrobótica se ha vuelto cada vez más evidente para los investigadores tanto del mundo académico como de la industria.​​

La replicación artificial de los motores brownianos se basa en la naturaleza y difiere de ella, y un tipo específico es el fotomotor, en el que el motor conmuta states debido a los pulsos de luz y genera un movimiento dirigido. Estos fotomotores, a diferencia de su natural counterpartsˇ, son inorganic y poseen mayor efficiency y velocidad promedio, por lo que se adaptan mejor al uso humano que las alternativas existentes, como los motores de proteínas organic.​

Actualmente, uno de los seis "Grandes desafíos" actuales del Universidad de Sídney Nano Institute es desarrollar nanorobótica para salud, un aspecto clave del cual es un "nanoscale partes foundry" que puede producir motores nanoscale Brownian para "transporte activo alrededor del cuerpo". El Instituto predice que entre las implicaciones de esta investigación está un "cambio de paradigma" en healthcare "alejándose del modelo" break-fix "hacia un enfoque en prevention y la intervención temprana", como en el caso de enfermedades cardiovasculares:​

Los cambios a nivel molecular en la enfermedad cardíaca temprana ocurren a nanoescala. Para detectar estos cambios, estamos construyendo robots a nanoescala, más pequeños que las células, que navegarán por el cuerpo. Esto nos permitirá ver el interior incluso de los vasos sanguíneos más estrechos, para detectar los depósitos de grasa (placa aterosclerótica) que señalan el inicio del bloqueo arterial y permitir el tratamiento antes de que la enfermedad progrese.

...

El impacto de este proyecto será extenso. Mejorará los resultados de salud de todos los australianos con enfermedades cardíacas y reducirá los costos de atención médica. Tiene potencial para beneficiar otros problemas de salud, incluidos el cáncer, la demencia y otras enfermedades neurodegenerativas. Proporcionará un entorno colaborativo de clase mundial para capacitar a la próxima generación de investigadores australianos, impulsando la innovación y el desarrollo de nuevas industrias y empleos en Australia.

El profesor Paul Bannon, un cardiothoracic surgeon adulto de prestigio internacional y líder investigación médicaer,​​ resume los beneficios de la nanorobótica en la salud.​

Si pudiera miniaturizarme dentro del cuerpo ... podría detectar daños tempranos y tratables en tus arterias coronarias cuando tengas 25 años y así evitar tu muerte prematura.

Véase también

• Portal:Ciencia. Contenido relacionado con Tecnología.
• Máquina molecular
• Motor molecular
• Movimiento browniano
• Trinquete browniano
• Nanoingeniería
• Nanorrobótica
• Robert Brown
• Peter Hänggi

Enlaces externos

• Magnasco, M. O. (1993). «Forced thermal ratchets». Phys. Rev. Lett. 71 (10): 1477-1481. Bibcode:1993PhRvL..71.1477M. PMID 10054418. doi:10.1103/PhysRevLett.71.1477. 
• Magnasco, M. O. (1994). «Molecular Combustion Motors». Phys. Rev. Lett. 72 (16): 2656-2659. Bibcode:1994PhRvL..72.2656M. PMID 10055939. doi:10.1103/PhysRevLett.72.2656. 
• Astumian, R. D. (1997). «Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor». Science 276 (5314): 917-922. PMID 9139648. doi:10.1126/science.276.5314.917. 
• Astumian, R. D.; Hänggi, P. (2002). «Brownian Motors». Physics Today 55 (11): 33-39. Bibcode:2002PhT....55k..33A. doi:10.1063/1.1535005. 
• Hänggi, P.; Marchesoni, F.; Nori, F. (2005). «Brownian Motors». Annalen der Physik 14 (1–3): 51-70. Bibcode:2005AnP...517...51H. S2CID 1724528. arXiv:cond-mat/0410033. doi:10.1002/andp.200410121. 
• Freund, J. A.; Pöschel, T. (2000). «Stochastic processes in physics, chemistry, and biology». Lecture Notes in Physics, vol. 557. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-41074-4. 
• motor browniano en arxiv.org
• Hänggi, Peter; Marchesoni, Fabio (2009). «Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale». Reviews of Modern Physics 81 (1): 387-442. Bibcode:2009RvMP...81..387H. S2CID 16690300. arXiv:0807.1283. doi:10.1103/RevModPhys.81.387. 

• Datos: Q2126262