Investigadors dissenyen nano-propulsors impulsats per llum

 A nivell microscòpic és ben coneguda la capacitat d'autopropulsió de microorganismes i cèl·lules. És molt més recent però l'intent de crear partícules artificials amb aquesta mateixa capacitat, tot i que la seva utilitat potencial és molt evident en aplicacions com la medicina, reflectida ja fa molt de temps en pel·lícules de ciència ficció com Fantastic Voyage. El primer micro-swimmer artificial és de fa tot just uns 15 anys, i consisteix en una petita barra d'or-platí de dos micròmetres de llargada. Fins al moment actual se n'han dissenyat uns quants més, el tret comú és l'escala micromètrica i també el fet que és difícil controlar-los externament, ja que la majoria de mecanismes es basen en reaccions químiques a la seva superfície. Dins del camp es consideren com objectius prioritaris el disminuir la seva escala fins al nanòmetre, una reducció molt substancial, i tenir la capacitat de controlar el seu moviment. Aquí és on entra el nostre treball, que aprofita la recerca bàsica que havíem fet anteriorment en mecanismes de transferència d'energia a nivell molecular, per dissenyar un swimmer nanoscòpic controlat per llum. Es tracta d'una molècula de fulllerè C60 immers en aigua, la propulsió del qual s'assoleix mitjançant l'absorció de radiació externa per part d'una molècula enganxada a la seva superficie, i que fa doncs el paper de propulsor. La proposta és teòrica, es tracta al nostre entendre del primer model numèric de nanoswimmer en que la simulació que es fa inclou tots els àtoms del sistema, en contrast amb els micro-swimmers, on es fan servir models fenomenològics. El nostre càlcul es pot descriure doncs com first-principles o all-atom, i hem demostrat que la propulsió emergeix sense cap mena d'aproximació addicional. Donat que es requereix la simulació d'un quart de milió de molècules d'aigua, ha estat clau l'ús dels recursos de supercomputació del BSC.

A la imatge que acompanya es pot veure una molècula de Fullerè C_60 d'aproximadament 1 nanòmetre de diàmetre (en gris) immers en 260,000 molècules d'aigua (oxigen vermell, hidrogen gris). Un dipol diatòmic (groc i blau) està lligat al fullerè. Mitjançant radiació òptica s'indueixen transicions electròniques fluorescents en el dipol. Aquestes transicions es caracteritzen per un canvi periòdic de la distribució de càrregues del dipol, el que produeix reorientacions ràpides de les molècules d'aigua del seu entorn immediat degut a les fortes interaccions electrostàtiques. Aquesta transferència d'energia dóna lloc a un escalfament inhomogeni a l'entorn del fullerè, que ve acompanyada d´una velocitat de propulsió en la direcció contraria a l'escalfament, un fenomen conegut com auto-termofòresi, fins ara sols observat a escala micromètrica.

Més informació:

Calero, Carles, Edwin L. Sibert III, and Rossend Rey. "Self-thermophoresis at the nanoscale using light induced solvation dynamics", Nanoscale (2020).