Representación del movimiento concertado entre la punta de un oscilador (el sistema de movimiento periódico) y una molécula de hidrógeno (H-H) que alterna entre dos estados (la fluctuación ’ruidosa’). Cuando la punta se acerca a la molécula (indicado en rojo) la molécula que se mueve aleatoriamente tiende a pasar más tiempo en el estado en que consigue empujar la punta hacia arriba. Cuando la punta está más arriba la molécula cambia a una forma (azul) en la que tiene menos efecto sobre la punta. Las fuerzas que actúan periódicamente en la punta hacen que su movimiento cambie. Fuente: CIC nanoGUNE.
Procesos como el movimiento de los fluidos, la intensidad de las señales electromagnéticas, las composiciones químicas, etc., están sujetas a las fluctuaciones aleatorias que, normalmente, denominamos ‘ruido’. Este ruido es una fuente de energía que alimenta la evolución de fenómenos, tales como, el clima del planeta o la evolución de los sistemas biológicos. La naturaleza ha demostrado que es posible recolectar la energía de ese ‘ruido’.
El grupo de Nanoimagen en nanoGUNE, de San Sebastián (Guipúzcoa), coordinado por José Ignacio Pascual, ha centrado su estudio en una molécula de hidrógeno (H2). En su experimento han observado que el movimiento aleatorio – el ruido – de una molécula de hidrógeno entre dos posiciones puede causar el movimiento periódico de una ‘máquina mecánica’.
El grupo de científicos ha controlado el movimiento aleatorio de una molécula de hidrógeno que, de esta forma, induce golpes aleatorios sobre la palanca. Así, han observado que, al moverse, la palanca modula a su vez el movimiento de la molécula y ambas entran en sintonía, amplificando el efecto causado por los golpes de la molécula.
“Los empujones aleatorios de la molécula acaban empujando a la palanca periódicamente cuando esta se acerca a la molécula, como en un columpio”, explica José Ignacio Pascual. “El resultado es que la molécula más pequeña que existe, una molécula de hidrógeno, ‘empuja’ una palanca que tiene una masa ¡diez trillones de veces mayor!”, concreta Pascual.
El principio subyacente es una teoría matemática conocida como Resonancia Estocástica que describe cómo encauzar la energía de movimientos aleatorios en un movimiento periódico y que, por tanto, puede dar lugar a su aprovechamiento. En este caso, se utiliza el movimiento concertado de las fluctuaciones aleatorias del hidrógeno y el movimiento periódico de un oscilador mecánico para amplificar la transferencia de energía entre molécula y oscilador.
Para acoplar su movimiento, la molécula se confinó en un pequeño espacio entre una superficie plana y una punta afilada del microscopio de fuerza atómica (AFM). Este microscopio utiliza el movimiento periódico de la punta situada al final de un oscilador mecánico muy sensible para ‘sentir’ las fuerzas que existen en la nanoescala.
El grupo de Nanoimagen en nanoGUNE, de San Sebastián (Guipúzcoa), coordinado por José Ignacio Pascual, ha centrado su estudio en una molécula de hidrógeno (H2). En su experimento han observado que el movimiento aleatorio – el ruido – de una molécula de hidrógeno entre dos posiciones puede causar el movimiento periódico de una ‘máquina mecánica’.
El grupo de científicos ha controlado el movimiento aleatorio de una molécula de hidrógeno que, de esta forma, induce golpes aleatorios sobre la palanca. Así, han observado que, al moverse, la palanca modula a su vez el movimiento de la molécula y ambas entran en sintonía, amplificando el efecto causado por los golpes de la molécula.
“Los empujones aleatorios de la molécula acaban empujando a la palanca periódicamente cuando esta se acerca a la molécula, como en un columpio”, explica José Ignacio Pascual. “El resultado es que la molécula más pequeña que existe, una molécula de hidrógeno, ‘empuja’ una palanca que tiene una masa ¡diez trillones de veces mayor!”, concreta Pascual.
El principio subyacente es una teoría matemática conocida como Resonancia Estocástica que describe cómo encauzar la energía de movimientos aleatorios en un movimiento periódico y que, por tanto, puede dar lugar a su aprovechamiento. En este caso, se utiliza el movimiento concertado de las fluctuaciones aleatorias del hidrógeno y el movimiento periódico de un oscilador mecánico para amplificar la transferencia de energía entre molécula y oscilador.
Para acoplar su movimiento, la molécula se confinó en un pequeño espacio entre una superficie plana y una punta afilada del microscopio de fuerza atómica (AFM). Este microscopio utiliza el movimiento periódico de la punta situada al final de un oscilador mecánico muy sensible para ‘sentir’ las fuerzas que existen en la nanoescala.
Aplicaciones futuras
Los movimientos aleatorios de la molécula ejercen fuerza contra la punta y la hacen oscilar. La oscilación de la punta, a su vez, modula el movimiento aleatorio de la molécula de hidrógeno y, por tanto, de las fuerzas que sobre ella actúan. El resultado fue un ‘baile’ orquestado entre la punta y la molécula ruidosa. De esta forma, la punta osciló distancias superiores al tamaño de la molécula gracias a la energía extraída del ‘ruido’.
“En nuestro experimento, el movimiento aleatorio de la molécula se realiza inyectando corriente eléctrica, y no temperatura, a través de la molécula y, por tanto, funciona como un motor convirtiendo energía eléctrica en mecánica”, dice José Ignacio Pascual.
Un aspecto prometedor de este resultado es que podría ser tenido en cuenta para el diseño de motores moleculares artificiales. De hecho, ya se ha propuesto que el mecanismo de la Resonancia Estocástica esté detrás de los motores biomoleculares que hacen funcionar la actividad celular de forma natural. Y este fenómeno podría aplicarse, según los autores del estudio, para inducir oscilaciones en motores moleculares artificiales, que son complejas moléculas diseñadas para que puedan oscilar o rotar en una sola dirección. Los autores no descartan, además, que la fluctuación molecular pueda ser producida por otras fuentes, como la luz.
Los experimentos se realizaron utilizando un microscopio de fuerza atómica ultra-sensible, construido en el Departamento de Física de la Freie Universität Berlin (Universidad Libre de Berlín) para investigar interruptores moleculares absorbidos sobre superficies, uno de los principales retos del proyecto de investigación colaborativo SFB 658.
“Teniendo en cuenta el nivel de desarrollo de la técnica que se ha alcanzado gracias a la contribución de muchos grupos, la detección del movimiento de la molécula con el microscopio no es tan difícil”, comentan Christian Lotze y Martina Corso, quien apunta que “el logro más relevante es la identificación e interpretación del efecto: que la molécula provoca movimiento en el oscilador”.
En línea con sus coautores, Katharina Franke, asegura que la investigación "se centrará ahora en la búsqueda de otras fuentes de ‘ruido’ molecular, como las fluctuaciones eléctricas o magnéticas, que podrían conducir a una transferencia de energía más eficiente”.
Los movimientos aleatorios de la molécula ejercen fuerza contra la punta y la hacen oscilar. La oscilación de la punta, a su vez, modula el movimiento aleatorio de la molécula de hidrógeno y, por tanto, de las fuerzas que sobre ella actúan. El resultado fue un ‘baile’ orquestado entre la punta y la molécula ruidosa. De esta forma, la punta osciló distancias superiores al tamaño de la molécula gracias a la energía extraída del ‘ruido’.
“En nuestro experimento, el movimiento aleatorio de la molécula se realiza inyectando corriente eléctrica, y no temperatura, a través de la molécula y, por tanto, funciona como un motor convirtiendo energía eléctrica en mecánica”, dice José Ignacio Pascual.
Un aspecto prometedor de este resultado es que podría ser tenido en cuenta para el diseño de motores moleculares artificiales. De hecho, ya se ha propuesto que el mecanismo de la Resonancia Estocástica esté detrás de los motores biomoleculares que hacen funcionar la actividad celular de forma natural. Y este fenómeno podría aplicarse, según los autores del estudio, para inducir oscilaciones en motores moleculares artificiales, que son complejas moléculas diseñadas para que puedan oscilar o rotar en una sola dirección. Los autores no descartan, además, que la fluctuación molecular pueda ser producida por otras fuentes, como la luz.
Los experimentos se realizaron utilizando un microscopio de fuerza atómica ultra-sensible, construido en el Departamento de Física de la Freie Universität Berlin (Universidad Libre de Berlín) para investigar interruptores moleculares absorbidos sobre superficies, uno de los principales retos del proyecto de investigación colaborativo SFB 658.
“Teniendo en cuenta el nivel de desarrollo de la técnica que se ha alcanzado gracias a la contribución de muchos grupos, la detección del movimiento de la molécula con el microscopio no es tan difícil”, comentan Christian Lotze y Martina Corso, quien apunta que “el logro más relevante es la identificación e interpretación del efecto: que la molécula provoca movimiento en el oscilador”.
En línea con sus coautores, Katharina Franke, asegura que la investigación "se centrará ahora en la búsqueda de otras fuentes de ‘ruido’ molecular, como las fluctuaciones eléctricas o magnéticas, que podrían conducir a una transferencia de energía más eficiente”.
Referencia bibliográfica:
Christian Lotze, Martina Corso, Katharina J. Franke, Felix von Oppen, Jose Ignacio Pascual. Driving a Macroscopic Oscillato rwith the Stochastic Motion of a Hydrogen Molecule. Science. DOI: 10.1126/science.1227621
Christian Lotze, Martina Corso, Katharina J. Franke, Felix von Oppen, Jose Ignacio Pascual. Driving a Macroscopic Oscillato rwith the Stochastic Motion of a Hydrogen Molecule. Science. DOI: 10.1126/science.1227621