Pesquisadores da TU Delft construíram os menores motores acionados por fluxo do mundo. Inspirados nos icônicos moinhos de vento holandeses e proteínas motoras biológicas, eles criaram um rotor auto-configurado e movido a fluxo a partir de DNA que converte energia de um gradiente elétrico ou salino em trabalho mecânico útil. Os resultados abrem novas perspectivas para a engenharia de robótica ativa em nanoescala. O artigo está agora publicado em Nature Physics .
Construção elusiva

Os motores rotativos têm sido a força motriz das sociedades humanas por milênios, desde os moinhos de vento e rodas d'água até as turbinas eólicas offshore mais avançadas de hoje, impulsionando o futuro da energia verde. "Esses motores rotativos, acionados por um fluxo, também aparecem com destaque em células biológicas. Um exemplo é a sintase FoF1-ATP, que produz o combustível que as células precisam para operar. Mas a construção sintética em nanoescala até agora permaneceu indescritível", diz o Dr. Xin Shi, pós-doc no laboratório do prof. Cees Dekker no departamento de Bionanoscience na TU Delft.

"Nosso motor acionado por fluxo é feito de material de DNA. Essa estrutura é encaixada em um nanoporo, uma pequena abertura, em uma membrana fina. O feixe de DNA, com apenas 7 nanômetros de espessura, se auto-organiza sob um campo elétrico em um rotor configuração, que posteriormente é definida em um movimento rotativo sustentado de mais de 10 revoluções por segundo", diz Shi, primeiro autor da publicação em Nature Physics .

Origami de DNA

"Há sete anos tentamos construir esses nanomotores rotativos sinteticamente de baixo para cima. Usamos uma técnica chamada DNA origami, em colaboração com o laboratório de Hendrik Dietz da Universidade Técnica de Munique", acrescenta Cees Dekker, que supervisionou a pesquisa . Esta técnica usa as interações específicas entre pares de bases de DNA complementares para construir nano-objetos 2D e 3D. Os rotores aproveitam a energia de um fluxo de água e íons que é estabelecido através de uma tensão aplicada ou ainda mais simples:por ter diferentes concentrações de sal nos dois lados da membrana. Este último é uma das fontes de energia mais abundantes na biologia que alimenta vários processos críticos, como síntese de combustível celular e propulsão celular.

Resolvendo um quebra-cabeça

Essa conquista é um marco, pois é a primeira realização experimental de rotores ativos acionados por fluxo em nanoescala. Quando os pesquisadores observaram as rotações pela primeira vez, no entanto, ficaram intrigados:como esses bastões de DNA simples podem exibir essas rotações agradáveis ​​e sustentadas? O quebra-cabeça foi resolvido em discussões com o teórico Ramin Golestanian e sua equipe no Instituto Max Planck para Dinâmica e Auto-Organização em Göttingen. Eles modelaram o sistema e revelaram o fascinante processo de auto-organização onde os feixes se deformam espontaneamente em rotores quirais que então se acoplam ao fluxo dos nanoporos.

Da simplicidade ao design racional

"Esse processo de auto-organização mostra realmente a beleza da simplicidade", diz Shi. Mas a importância deste trabalho não se limita a este simples rotor em si. A técnica e o mecanismo físico por trás disso estabelecem uma direção inteiramente nova na construção de nanomotores sintéticos:nanoturbinas acionadas por fluxo, ou seja, um campo surpreendentemente inexplorado por cientistas e engenheiros. “Você ficaria surpreso com o pouco que sabíamos e alcançamos na construção dessas nanoturbinas acionadas por fluxo, especialmente devido ao conhecimento milenar que temos sobre a construção de suas contrapartes em macroescala e os papéis críticos que elas desempenham na própria vida”, diz Shi.

Em outra etapa (que está em pré-impressão), o grupo usou o conhecimento que aprendeu com a construção desse rotor auto-organizado para fazer um próximo avanço importante:a primeira turbina em nanoescala projetada racionalmente. "Assim como a ciência e as tecnologias sempre funcionam, começamos de um simples cata-vento, agora somos capazes de recriar os belos moinhos de vento holandeses, mas desta vez com um tamanho de apenas 25 nm, o tamanho de uma única proteína em seu corpo", diz Shi , "e demonstramos sua capacidade de transportar cargas".

"E agora, a direção de rotação foi definida pela quiralidade projetada", acrescenta Dekker. "Turbinas para canhotos giravam no sentido horário; as destros giravam no sentido anti-horário."

Motor a vapor

Em seguida, para melhor compreensão e imitação de proteínas motoras, como a FoF1-ATP sintase, os resultados abrem novas perspectivas para a engenharia de robótica ativa em nanoescala. Shi:"O que demonstramos aqui é um motor em nanoescala que é realmente capaz de transduzir energia e fazer trabalho. Você poderia fazer uma analogia com a primeira invenção do motor a vapor no século 18. Quem poderia ter previsto então como ele mudou fundamentalmente nossas sociedades? Podemos estar em uma fase semelhante agora com esses nanomotores moleculares. O potencial é ilimitado, mas ainda há muito trabalho a fazer." + Explorar mais

Primeiro nanomotor elétrico feito de material de DNA