Atar las moléculas tan fácilmente como atar los cordones
Nuevas perspectivas para diseñar materiales y transferir información molecularmente
Los nudos están a nuestro alrededor: en los cables de los ordenadores, los auriculares y los cables. Pero, aunque pueden ser una molestia, también son muy útiles a la hora de atarse los cordones o cuando se va a navegar. En matemáticas, hay no menos de seis mil millones de nudos potenciales diferentes, pero ¿qué pasa con los nudos en química? Desde la década de 1970, los científicos han estado tratando de anudar moléculas para crear nuevas propiedades mecánicas a medida, que darán lugar a nuevos materiales. Los primeros éxitos tuvieron lugar veinte años después, pero el proceso sigue siendo laborioso. Hoy en día, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza, han desarrollado una técnica simple y eficaz para atar nudos en las moléculas, y han observado por primera vez los cambios en las propiedades que resultan de estos entrelazamientos. Los resultados, que pueden leerse en la revista Chemistry - A European Journal, abren nuevas perspectivas para el diseño de materiales y la transferencia de información molecularmente.
Estructura química de uno de los nudos moleculares en estudio. A continuación, se muestra con una representación simplificada que el mismo nudo puede estar apretado o suelto. En el mundo molecular, los nudos apretados tienen propiedades diferentes a los nudos sueltos.
© UNIGE
Los nudos son ciertamente útiles. ¿Pero qué hay de la química? ¿Es posible unir las moléculas? La idea apareció por primera vez en 1971 con el objetivo de crear nuevos materiales inducidos por los cambios en las propiedades mecánicas y físicas que resultarían de estos encadenamientos. Pero no fue hasta 1989 que Jean-Pierre Sauvage, el francés ganador del Premio Nobel de Química de 2016, tuvo éxito. Posteriormente, los científicos han trabajado duro para intentar formar nudos, pero sigue siendo un reto: "Para unir las moléculas, hay que utilizar metales que se adhieren a las moléculas y las dirigen por un camino muy específico formando las intersecciones necesarias para hacer nudos", explica Fabien Cougnon, investigador del Departamento de Química Orgánica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. "¡Pero es un proceso complejo que a menudo resulta en una pérdida de materia prima de más del 90%! La cantidad resultante de nudos moleculares es típicamente sólo unos pocos miligramos como máximo, no lo suficiente para hacer nuevos materiales".
Las moléculas hidrofóbicas que se unen por sí mismas
Los químicos de la UNIGE desarrollaron una nueva técnica que permite crear fácilmente moléculas entrelazadas. "Usamos moléculas de grasa que remojamos en agua calentada a 70 grados. Como son hidrofóbicos, tratan de escapar del agua a toda costa, reuniéndose y formando un nudo por medio del auto-ensamblaje", dice Tatu Kumpulainen, un investigador del Departamento de Química Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
Gracias a esta nueva técnica, los químicos de Ginebra pueden hacer nudos moleculares sin esfuerzo y, lo que es más importante, sin perder ningún material. "Transformamos hasta el 90% de los reactivos básicos en nudos, lo que significa que podemos considerar un análisis real de los cambios en las propiedades mecánicas inducidas por los nudos, ¡lo que nunca se ha hecho antes!", señala Cougnon. Aunque no pueden elegir cómo se anudan las moléculas, son capaces de reproducir el mismo nudo a voluntad, porque la misma estructura química siempre formará un nudo idéntico en el medio acuoso.
Cada nudo tiene sus propias propiedades mecánicas
Ahora que anudar moléculas se ha vuelto fácil, ¿qué podemos hacer con estos nudos? ¿Hay algún valor en formarlos? Para comprobar el impacto de los enclavamientos, los químicos de Ginebra eligieron una familia de moléculas que tienen todas el mismo diseño: absorben el ultravioleta, son fluorescentes y son altamente sensibles al ambiente general, especialmente a la presencia de agua. "Creamos cuatro nudos, desde los más simples a los más complejos (0, 2, 3 y 4 intersecciones), que comparamos con una molécula de referencia que constituye su base", explica Cougnon. "Para ello, primero utilizamos la resonancia magnética nuclear (RMN) para observar la rigidez de las diferentes partes de los nudos y la velocidad y la forma en que se mueven en relación con los demás." Los científicos encontraron un primer cambio en las propiedades mecánicas: cuanto más complejos son los nudos, menos se mueven.
Los químicos utilizaron posteriormente la espectroscopia para comparar los espectros de los cuatro nudos entre sí. "Pronto nos dimos cuenta de que los nudos sueltos (0 y 2 intersecciones) se comportaban de la misma manera que la molécula de referencia", continúa Kumpulainen. "Pero cuando los nudos son más complejos, las moléculas, que estaban más apretadas, cambiaron sus propiedades físicas y su color! Su forma de absorber y emitir la luz difiere de la molécula de referencia". Este cambio de color significa que los científicos pueden visualizar las propiedades mecánicas específicas de cada ensamblaje, ya sea su elasticidad, estructura, movimiento o posición.
Por primera vez, los químicos de Ginebra han demostrado que las moléculas anudadas cambian las propiedades mecánicas. "Ahora queremos ser capaces de controlar estos cambios de la A a la Z para poder usar estos nudos, por ejemplo, como indicadores de las propiedades del medio ambiente", dice Kumpulainen. También planean construir nuevos materiales, como los elásticos, utilizando las redes de nudos ahora que no hay pérdida de material al hacer las intersecciones. "Por fin podemos considerar la posibilidad de transferir información dentro de un nudo gracias a un simple cambio de posición en una parte del nudo que se reflejaría en toda la estructura y transmitiría la información", concluye Cougnon.
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