Introdução às nanomáquinas

Nanomáquinas são mecanismos moleculares que executam uma função quando recebem um estímulo. O assunto de hoje é uma introdução com exemplos.

Nanomáquinas naturais

Na natureza, existem muitas nanomáquinas que fazem várias funções. Um exemplo é a proteína miosina. Converte energia química na molécula de ATP (Adenosina trifosfato) em movimento mecânico sobre a actina para a contração dos músculos. 

Outro exemplo é a enzima F0F1-ATP sintase, localizada nas membranas internas da mitocôndria. Sua função é sintetizar ATP, molécula que fornece energia para as células, com ADP (Adenosina difosfato) e fosfato inorgânico. 

Os prótons do lado intermembranar, onde há grande concentração de íons de hidrogênio, induzem a rotação do anel c (c-ring), este move as subunidades Y e ε, fazendo a síntese de ATP na matriz. A parte F0 fica na membrana interna da mitocôndria. Esta máquina é extremamente eficiente.

Nanomáquinas artificiais e alguns exemplos

Muitas das nanomáquinas artificiais são inspiradas nas máquinas de tamanho macro como engrenagens, hélices, chaves, etc. A grande maioria é feita de moléculas orgânicas com anéis de benzeno, hidrogênio, oxigênio. Algumas utilizam íons metálicos. O desempenho destas máquinas depende de interações eletrostáticas e forças intermoleculares. O estímulo para as máquinas moleculares pode ser elétrico, luminoso, químico ou térmico. No entanto, ainda são bem mais primitivas que as naturais. Lembrando que na escala nanométrica, as leis da física são bem diferentes da escala macro. 

Catenano

Formado por duas moléculas de polímero mecanicamente entrelaçadas em forma de anel. Não dá para separar as moléculas sem romper uma ligação covalente. O primeiro catenano foi criado em 1983, com dois anéis entrelaçados ao redor de um íon de cobre. Com estímulos térmicos ou eletroquímicos, depende do polímero, os anéis podem fazer movimento de rotação, translação ao redor do eixo do outro anel ou inclinação. 

É possível juntar vários anéis e formar uma longa cadeia chamda policatenano.

Rotaxano

É composta de uma molécula linear, com grupos químicos volumosos nas extremidades. Esta é rosqueada por outra molécula em forma de anel. A molécula macrocíclica em anel se chama Cucurbituril ou CB. O número entre colchetes indica o formato do anel visto de cima. Por exemplo, o Cucurbit[5]uril tem forma de pentágono. São compostos por muitos átomos do grupo CHON (carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio).

Com um estímulo químico, eletroquímico ou luminoso, o anel muda de posição na molécula linear. Podendo ser usado como uma chave de dois estados.

O rotaxano pode ter mais de um anel e formar o polirotaxano. Se tirar os grupos volumosos das extremidades, se torna pseudorotaxano.

Os rotaxanos podem ser usados para construir nanoelevadores. Transportando moléculas por alguns nanômetros.

Nanocarro

Um nanocarro tem apenas um chassi central e quatro “rodas” ligadas ao eixo. A incidência de luz excita alguns elétrons, causando uma reação de isomerização, mudança da estrutura sem alterar a fórmula química. A ligação covalente dupla ligando a roda ao eixo se torna simples. Alguns nanocarros são movidos por elétrons do microscópio de tunelamento para fazer a reação de isomerização, a estrutura molecular permite rotação em apenas uma direção. Todos os nanocarros que existem atualmente percorrem sobre uma superfície metálica, geralmente cobre ou ouro. 

Existem nanocarros com rodas de fulereno, que rolam em superfícies de altas temperaturas e não possuem um motor.

As nanomáquinas serão usadas para construir nanorobôs, que terão muitas aplicações.