Màquina molecular

Una màquina molecular, o nanomáquina, s'ha definit com un discret número de components moleculars que han segut dissenyats per a portar a terme moviments mecànics (d'eixida), en resposta a determinats estímuls (entrada). A sovint s'aplica en general a les molècules que simplement imiten funcions en el nivell macroscòpic. El terme també és comú en la nanotecnología, i un número molt complex de màquines moleculars s'han propost per a alcançar l'objectiu de construir un ensamblador molecular. Les màquines moleculars poden dividir-se en dos grans categories: les sintètics i les biològics.

Els sistemes moleculars que són capaços de canviar un producte químic o procés mecànic fora d'equilibri representen potencialment una important branca de la química i la nanotecnología. Per definició, estos tipos de sistemes són eixemples de màquines moleculars, com la pendent generada a partir d'este procés és capaç de portar a terme una llabor útil.

Història

Hi ha dos experiments de pensament que formen la base històrica de màquines moleculars: el dimoni de Maxwell i el trinquet de Feynman (o trinquet browniano). El dimoni de Maxwell està ben descrit en atres parts, i una interpretació llaugerament diferent de Richard Feynman de trinquet es dona ací.

Imagine un sistema molt chicotet (vore més avall) de dos rems o arts conectats per un eix rígit i que és possible mantindre estos dos rems en dos diferents temperatures. Un dels arts de peixca (en T2) té un trinquet que es rectifica el sistema de moviment, i per lo tant, l'eix només pot moure's en una rotació cap a la dreta, i en fer-ho, es podria alçar un pes (m) a l'alça a trinquet. Ara imagine : si la paleta en la casella T1 està en un mig ambient molt més calent que l'art en la casella T2, s'espera que l'energia cinètica de les molècules de gas (círculs rojos) en colpejar la paleta en T1 siga molt més alta que la de la molècules de gas colpejant la palanca de canvi en T2 ; per lo tant, en menor energia cinètica dels gasos en T2, hi hauria molt poca resistència per part de les molècules en colisió en la palanca de canvis , estadísticament en la direcció oposta. Ademés, el trinquet permetria direccionalidad, i llentament en el temps, l'eix de rotació i de trinquet, l'alçament del pes (m).

Esquema del trinquet de Feynman.

Idees modernes

A diferència del moviment macroscòpic, els sistemes moleculars estan constantment somesos a importants propostes dinàmiques subjectes a les lleis de la mecànica browniana (o moviment browniano) i, com a tal, aprofitant el moviment molecular és molt més un procés difícil. En el nivell macroscòpic, moltes màquines funcionen en la fase gaseosa i, a sovint, la resistència de l'aire és descuidada, ya que és insignificant, pero per analogia d'un sistema molecular browniano en un mig ambient, el moviment molecular és similar «a caminar en un huracà», o la «natació en la melaça». El fenomen de moviment browniano (observada per Robert Brown en 1827) més tart va ser explicat per Albert Einstein en 1905. Einstein va descobrir que el moviment browniano és una conseqüència de l'escala i no la naturalea de les afores. En la mida en que l'energia tèrmica s'aplica a una molècula, que serà objecte del moviment Browniano en l'energia cinètica que corresponga a la temperatura. Per lo tant, de la mateixa manera que l'estratègia de Feynman, quan el disseny d'una màquina molecular sembla raonable utilisar el moviment browniano en lloc d'intentar lluitar contra ell.

Les màquines moleculars solen tindre parts mòvils. No obstant, mentres que les màquines macroscòpiques a les que nos enfrontem en la vida quotidiana poden proporcionar l'inspiració per a màquines moleculars, és enganyós cridar a les analogia entre el seu disseny de l'estratègia de la dinàmica de les grans i chicotetes escalas de llongitut perque són massa diferents. L'aprofitament del moviment browniano per a fer màquines a nivell molecular està regulada per la segona llei de la termodinàmica, a sovint en les seues conseqüències contraintuitivas, i com a tal, necessitem una atra font d'inspiració.

Encara que és un procés difícil per a aprofitar el moviment browniano, la naturalea nos ha proporcionat en varis plans de moviment molecular per a realisar un treball útil. La naturalea ha creat moltes estructures per a compartimentar els sistemes moleculars, per lo tant, no la creació de distintes distribucions d'equilibri; la membrana de la cèlula és un excelent eixemple. Les barreres lipofílicas fan us d'una série de diferents mecanismes per a poder moure's d'un compartimiento a un atre.