"El Señor de los Anillos" en el mundo molecular
Las curiosas moléculas entrelazadas muestran una respuesta dual
Científicos del Instituto Tecnológico de Tokio diseñan polímeros dotados de una unidad molecular sensible a la tensión que responde a fuerzas externas encendiendo su fluorescencia. Los investigadores demuestran que la fluorescencia depende de la magnitud de la fuerza y que es posible detectar tanto las deformaciones reversibles como las irreversibles del polímero, lo que abre la puerta a la exploración de nuevos regímenes de fuerza en los polímeros.
Figura 1. Ilustración esquemática del funcionamiento de un mecanóforo basado en el rotaxano, mostrando (a) el estado sin fuerza, (b) las respuestas reversibles y (c) las irreversibles.
Además de provocar el movimiento físico, las fuerzas mecánicas pueden impulsar cambios químicos de forma controlada y productiva, lo que permite obtener propiedades materiales deseables. Una forma de hacerlo es introduciendo en el material los llamados mecanóforos , unidades moleculares sensibles a la tensión o a la deformación. En concreto, los mecanóforos mecánicos, que alteran sus propiedades ópticas en respuesta a estímulos mecánicos, son muy útiles para cuantificar su entorno mecánico local.
Sin embargo, el mecanismo de respuesta de la mayoría de los mecanóforos implica la ruptura de enlaces químicos. En consecuencia, requieren fuerzas mecánicas relativamente grandes para activarse y su respuesta no suele ser reversible. Para resolver estos problemas, los investigadores dirigidos por el profesor Yoshimitsu Sagara del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) habían desarrollado anteriormente mecanóforos supramoleculares que muestran una activación/desactivación instantánea de la fluorescencia sin ninguna escisión de los enlaces covalentes. El siguiente reto del equipo era determinar si se podían obtener respuestas mecánicas reversibles e irreversibles a partir del mismo motivo molecular.
En un nuevo estudio del Journal of the American Chemical Society , el equipo explora esta cuestión utilizando una arquitectura molecular inusual denominada "rotaxano", en la que una molécula con forma de mancuerna está enhebrada a través de un "anillo" de tal manera que están mecánicamente entrelazados, es decir, el "anillo" no puede ser extraído normalmente. Al unir un par quencher-emisor al rotaxano y seleccionar los tamaños adecuados de las moléculas del anillo y del tapón, el equipo demuestra un nuevo tipo de respuesta del mecanóforo que puede ser reversible o irreversible, dependiendo de la magnitud de la fuerza aplicada (Figura 1).
"Cuando no se aplica ninguna fuerza, la interacción atractiva mantiene el anillo que contiene el emisor cerca del apagador fijado en el eje del rotaxano, de modo que la emisión se apaga", explica Sagara. "Al aplicar una fuerza débil, el emisor se aleja del apagador y su fluorescencia se enciende. Este efecto es reversible, a no ser que la fuerza sea lo suficientemente alta como para empujar el anillo más allá del tapón, de modo que se produzca un destramado irreversible".
Mediante la investigación de un conjunto cuidadosamente diseñado de diferentes rotaxanos, el equipo demostró que la combinación de motivos de anillo y tapón adecuadamente seleccionados y con el tamaño adecuado es crucial para obtener estructuras entrelazadas que muestren esa respuesta dual. Los investigadores de Tokyo Tech colaboraron con socios suizos del Instituto Adolphe Merkle de la Universidad de Friburgo para incorporar los nuevos mecanóforos a cauchos de poliuretano elásticos. Estos materiales presentan cambios de fluorescencia reversibles a lo largo de muchos ciclos de estiramiento y liberación a bajas tensiones, debido a la función de desplazamiento, mientras que los cambios permanentes se observaron cuando los cauchos se sometieron a deformaciones repetidas a altas tensiones debido al desenroscado del anillo del eje. "Este mecanismo permite, al menos conceptualmente, controlar la deformación real de los materiales poliméricos y examinar los daños mecánicos que se produjeron en el pasado a partir de una señal óptica", afirma Sagara.
Especulando sobre las posibles implicaciones de sus resultados, un eufórico Sagara comenta: "Ampliar la biblioteca actual de mecanóforos con nuestros candidatos basados en el rotaxano sería útil para estudiar las propiedades mecánicas no sólo de los polímeros, sino también de las células y los tejidos, ya que nuestros mecanóforos pueden responder a fuerzas mucho más pequeñas en comparación con las que implican la escisión de enlaces químicos."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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