Una máquina concebida hace más de dos mil años acaba de reaparecer en una escala casi inimaginable. Un equipo internacional de científicos ha construido una máquina molecular inspirada en el tornillo de Arquímedes: una sola molécula helicoidal que puede girar impulsada directamente por una corriente eléctrica y cambiar el sentido de su rotación cuando se invierte la polaridad.
El resultado, publicado en Nature, no es simplemente una miniatura curiosa. Cuando la molécula alcanza determinadas condiciones de rotación, la corriente que la atraviesa puede aumentar de forma abrupta, hasta cien veces. El experimento abre una puerta hacia máquinas y componentes electrónicos cuyo mecanismo de funcionamiento podría reducirse prácticamente a la escala de una molécula.
UNA MÁQUINA DE LA ANTIGÜEDAD LLEVADA AL MUNDO MOLECULAR
El tornillo de Arquímedes tradicional consiste en una estructura helicoidal que gira para desplazar agua. Los investigadores trasladaron ese principio geométrico al mundo molecular. En lugar de transportar agua, su estructura helicoidal interactúa con electrones que circulan a través de ella.
En el corazón del experimento se encuentra una molécula orgánica helicoidal sintetizada específicamente para el estudio. Los científicos la suspendieron entre dos electrodos de oro extremadamente finos, creando un contacto molecular en el que podían controlar tanto la corriente eléctrica como la distancia entre los electrodos.
Al aplicar voltaje, los investigadores observaron movimientos cíclicos compatibles con una rotación dirigida. Cuando invirtieron la polaridad, también se invirtió el sentido de esos movimientos. El sistema mostró una preferencia direccional completa: la corriente no solo hacía moverse a la molécula, sino que permitía decidir hacia dónde debía girar.
LOS ELECTRONES HACEN GIRAR LA MOLÉCULA
La explicación es extraordinaria. A medida que los electrones atraviesan la estructura helicoidal transfieren momento angular a la molécula. Es un principio comparable, a una escala radicalmente diferente, al viento que hace girar las aspas de una turbina.
El equipo del Instituto Weizmann de Ciencias, junto con investigadores de la Universidad de Augsburgo, la Universidad de Copenhague y otras instituciones, combinó el experimento con cálculos de mecánica cuántica para comprender qué estaba ocurriendo dentro de ese diminuto contacto.
Los científicos también descubrieron que podían modificar el comportamiento del sistema estirando o comprimiendo ligeramente la molécula. La distancia entre los electrodos podía ajustarse en incrementos inferiores a 0,1 nanómetros, alterando así el umbral en el que se producía el gran incremento de corriente.
CUANDO EMPIEZA A GIRAR LA CORRIENTE SE DISPARA
El efecto más sorprendente apareció al aumentar el voltaje. Por encima de determinado umbral, el movimiento de la molécula pasa, según los cálculos del equipo, de saltos rotacionales sucesivos a una rotación continua. En ese momento la molécula puede adoptar configuraciones que conducen los electrones con mucha mayor facilidad.
El resultado es espectacular: la conducción eléctrica puede aumentar hasta dos órdenes de magnitud, aproximadamente cien veces. En otras palabras, la electricidad hace girar la máquina molecular y ese movimiento, a su vez, facilita el paso de más electricidad.
Ese ciclo de retroalimentación convierte el descubrimiento en algo mucho más interesante que una demostración visual. Los investigadores describen un nuevo principio operativo para nanomáquinas en el límite mismo de la miniaturización.
UNA MÁQUINA QUE NO PODEMOS VER A SIMPLE VISTA
A esta escala no existe un tornillo metálico diminuto como el de una ferretería. La palabra «tornillo» describe la geometría helicoidal y el principio físico que inspira el dispositivo. La imagen de portada de este artículo es, por esa razón, una recreación editorial destinada a visualizar un mecanismo que ocurre en dimensiones moleculares.
La investigación tampoco significa que mañana tendremos motores moleculares dentro de teléfonos o computadoras. El experimento se realizó en condiciones de laboratorio altamente controladas, incluyendo temperaturas próximas al cero absoluto. El salto desde una demostración fundamental hasta una tecnología industrial puede ser enorme.
EL FUTURO PODRÍA CABER EN UNA MOLÉCULA
Sin embargo, el principio demostrado es poderoso. Máquinas moleculares controlables mediante electricidad podrían tener aplicaciones futuras en electrónica molecular, nanoelectrónica, espintrónica y sistemas microfluídicos. También ofrecen una nueva herramienta para estudiar fenómenos físicos que aparecen cuando los dispositivos se acercan a dimensiones atómicas.
Durante siglos, la tecnología avanzó construyendo máquinas cada vez más grandes y potentes. Después comenzó el camino inverso: transistores, microchips, nanomateriales y ahora mecanismos formados por moléculas individuales. El nuevo tornillo de Arquímedes molecular lleva esa reducción hasta un extremo que hace unas décadas habría pertenecido a la ciencia ficción.
Una idea nacida para elevar agua hace más de dos milenios podría terminar ayudándonos a construir algunas de las máquinas más pequeñas que la humanidad haya fabricado jamás.
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