Máquina molecular


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Uma máquina molecular, ou nanomáquina, é definida como um número discreto de componentes moleculares que desempenham movimentos mecânicos (output) em resposta a estímulos específicos (input).

Geralmente a expressão é aplicada a moléculas que simplesmente imitam funções que ocorrem a nível macroscópico.

O termo também é comum em nanotecnologia e várias máquinas moleculares altamente complexas já foram propostas para o objectivo de construir um montador molecular.

As Máquinas Moleculares podem ser propostas em duas grandes categorias: sintéticas e biológicas

Visão histórica e Estudo[editar | editar código-fonte]

Aqui estão duas experiências de pensamento que formam a base histórica para máquinas moleculares: o demônio de Maxwell e Ratchet de Feynman (ou catraca browniano). Demônio de Maxwell é bem descrita em outro lugar, e uma interpretação ligeiramente diferente da catraca de Richard Feynman é dado aqui.

Imaginemos um sistema muito pequeno (ver abaixo) de duas pás ou engrenagens ligadas por um eixo rígido e que é possível manter estas duas pás a duas temperaturas diferentes. Uma das engrenagens (em T2) tem uma lingueta que está retificando o movimento do sistema, e, portanto, o eixo só pode se mover em uma rotação no sentido horário, e ao fazê-lo, poderia levantar um peso (m) para cima em cima de catraca. Agora imagine se o remo na caixa T1 estava em um ambiente muito mais quente do que a engrenagem na caixa T2; seria de esperar que a energia cinética das moléculas de gás (círculos vermelhos) que atingem a pá em T1 seria muito mais elevada do que as moléculas de gás que atingem a engrenagem em T2. Por conseguinte, com menor energia cinética dos gases no T2, haveria pouca resistência das moléculas ao colidirem com a engrenagem na direcção oposta estatisticamente. Além disso, o roquete iria permitir a direcionalidade, e lentamente ao longo do tempo, o eixo de roquete iria rodar e, levantando o peso (m).

Figura esquemática de Ratchet de Feynman

Como descrito, este sistema pode parecer uma máquina de movimento perpétuo; No entanto, o principal ingrediente é o gradiente térmico dentro do sistema. Esta catraca não ameaça a segunda lei da termodinâmica, porque este gradiente de temperatura deve ser mantida por alguns meios externos. O movimento Browniano das partículas de gás fornece a energia para o aparelho, e o gradiente de temperatura permite que a máquina para conduzir o sistema ciclicamente afastamento do equilíbrio. Em catraca de Feynman, o movimento browniano aleatório não é combatido, mas em vez disso, aproveitado e retificado. Infelizmente, os gradientes de temperatura não pode ser mantida ao longo de distâncias à escala molecular, porque a vibração molecular de redistribuição da energia a outras partes da molécula. Além disso, apesar da máquina de Feynman fazendo um trabalho útil para levantar a massa, usando o movimento browniano para alimentar uma máquina de nível molecular não fornece qualquer visão sobre como o poder (ou energia potencial do peso levantado, m) pode ser usado para executar tarefas em nanoescala.

Percepções Modernas e Estudos[editar | editar código-fonte]

  • Diferentemente movimento macroscópico, sistemas moleculares estão constantemente passando por movimentos dinâmicos significativos sujeitos às leis da mecânica brownianos (ou movimento browniano) e, como tal, aproveitando o movimento molecular é um processo muito mais difícil. Ao nível macroscópico, muitas máquinas operam na fase gasosa, e, muitas vezes, a resistência do ar é desprezada, como é insignificante, mas analogamente para um sistema num ambiente molecular Browniano, movimento molecular é semelhante “a uma curta em um furacão, ou natação em melaço. “O fenômeno do movimento browniano (observado por Robert Brown (botânico), 1827), foi posteriormente explicado por Albert Einstein em 1905. Einstein descobriu que o movimento browniano é uma consequência da escala e não a natureza do entorno. Contanto que a energia térmica é aplicado a uma molécula, ele irá sofrer movimento Browniano com a energia cinética adequada para essa temperatura. Portanto, como estratégia de Feynman, ao projetar uma máquina molecular, parece sensato para utilizar o movimento browniano em vez de tentar lutar contra isso.

Como máquinas macroscópicas, máquinas moleculares normalmente têm partes móveis. No entanto, enquanto as máquinas macroscópicas cotidianas podem servir de inspiração para máquinas moleculares, é enganoso desenhar analogias entre sua estratégia de design; a dinâmica das escalas de comprimento pequenas e grandes são simplesmente demasiado diferente. Aproveitando o movimento browniano e fazer máquinas nível molecular é regulada pela segunda lei da termodinâmica, com suas conseqüências, muitas vezes contra-intuitivo, e como tal, precisamos de outra inspiração.

Apesar de ser um processo desafiador para aproveitar o movimento browniano, a natureza nos proporcionou vários projetos para o movimento molecular realizar trabalho útil. A natureza criou muitas estruturas úteis para compartimentar sistemas moleculares, criando, portanto, as distribuições não-equilíbrio distintas; a membrana celular é um excelente exemplo. Barreiras lipofilias fazer uso de uma série de diferentes mecanismos de movimento de alimentação de um compartimento para outro.

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