La Fórmula 1 de coches-molécula

En octubre de 2016 se celebrará en Toulouse (Francia) una carrera inédita en la historia del automovilismo. Si es que esto realmente puede llamarse automovilismo. Pero para sus participantes no cabe ninguna duda: sus máquinas son coches, aunque nadie pueda vislumbrarlos a simple vista, aunque la carrera vaya a desarrollarse en una pista de oro en el vacío a -268ºC, y aunque el evento solo pueda seguirse a través de un sofisticado aparato llamado LT-UHV-STM, o Microscopio de Efecto Túnel a Baja Temperatura y Vacío Ultra-Alto.

Todas estas extrañas condiciones se deben a lo peculiar de los propios coches: como cualquier automóvil, dispondrán de un chasis, ejes y ruedas, pero todo ello en una sola molécula de unos 100 átomos.

Esta loca idea se originó en 2013, cuando los investigadores Christian Joachim, del Grupo de Nanociencias del Centro de Elaboración de Materiales y Estudios Estructurales (CEMES) del Consejo Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), y Gwénaël Rapenne, de la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, lanzaron la propuesta en la revista de nanotecnología ACS Nano.

En aquel artículo, Joachim y Rapenne anunciaban que los nanovehículos ya no eran "una nanobroma". Los dos científicos repasaban los progresos logrados y los retos pendientes, para terminar lanzando este guante: "Proponemos un concurso anual de conceptos de nanocoches moleculares para fomentar la investigación en nanovehículos moleculares".

Nanomáquinas, una idea de la naturaleza

Como afirmaban Joachim y Rapenne, el de las nanomáquinas es un campo de investigación en pleno auge. Entran en esta denominación los dispositivos que miden menos de un micrómetro o micra, una milésima de milímetro; es decir, que su tamaño se mueve en el rango de los nanómetros, millonésimas de milímetro. Para hacernos una idea, en comparación un glóbulo rojo de nuestra sangre es un auténtico gigante, con sus 7 micras de diámetro. Una bacteria estándar de un par de micras aún es colosal. En la escala de los 100 nanómetros ya tenemos a muchos virus. ¿Y qué es un virus sino una complicada y diminuta máquina de guerra?

De hecho las nanomáquinas no son una idea humana, sino que ya las inventó la propia naturaleza. En nuestras células existen múltiples ejemplos, como los ribosomas, ingenios de solo 25 nanómetros que actúan como traductores portátiles de los genes, mordiendo una cinta de ARN mensajero (el intermediario en el que se copia la información de los cromosomas) para leer los datos que contiene y fabricar una cadena de proteína. Otro caso es el motor rotativo que propulsa el movimiento de los flagelos empleados por algunas bacterias para nadar. Las nanomáquinas como esta, que funcionan por rotación, suelen denominarse nanomotores.

Imagen del nanosubmarino de Tour Loïc Samuel Rice University

Los primeros nanomotores artificiales se crearon al filo del cambio de siglo. Aunque aún es una tecnología incipiente, ya se han alcanzado hitos prodigiosos. Este mes, investigadores de la Universidad Emory de EEUU han publicado la construcción de un motor rodante compuesto por ADN que es capaz de desplazarse por otra cadena de ADN y detectar sus mutaciones, como un inspector de vías en busca de desperfectos.

En noviembre, el grupo dirigido por el químico James Tour en la Universidad Rice de EEUU publicó un estudio describiendo la fabricación de un nanosubmarino formado por una sola molécula de 244 átomos. Su motor funciona con energía ultravioleta para girar a más de un millón de revoluciones por minuto, lo que impulsa la nave a una vertiginosa velocidad de casi una pulgada por segundo; en palabras de Tour, es "la molécula más rápida jamás vista en solución".

La reinvención de la rueda

Tour ha sido uno de los impulsores de la creación de los nanocoches, junto con Joachim y Rapenne. En 1998, el grupo de Joachim, en colaboración con IBM Zúrich, inventó la rueda: en este caso, la primera nanorrueda que giraba sobre una superficie metálica. Este diseño no era circular, sino que estaba compuesto por tres palas en una configuración similar al rotor de un barco de vapor. El avance sirvió para crear en 2003 la primera nanocarretilla, y en 2007 para construir un eje con dos ruedas móviles. Mientras, el laboratorio de Tour fabricaba un nanocoche de dos ejes y cuatro ruedas, constituidas por unas estructuras de carbono con forma de balón llamadas fullerenos.

"En diciembre de 2013 publicamos en Nature Nanotechnology nuestro motor molecular, el primero capaz de rotar en un sentido o en el otro según qué parte del rotor excitáramos", expone Rapenne a EL ESPAÑOL. "Algunos periodistas nos preguntaron cuál sería el siguiente paso, y respondimos que también habíamos desarrollado algunos nanovehículos y que sería interesante incorporarles el motor; entonces, mi colega Joachim pensó que sería divertido hacer una carrera de nanocoches".

Pero nada de ello sería posible sin el gran aparato, el microscopio que lo hace posible: "Obtuvimos una gran ayuda financiera para comprar uno de los primeros microscopios de efecto túnel (STM) con cuatro puntas independientes", prosigue Rapenne. Y dado que son estas nanoagujas las que proporcionan los impulsos eléctricos que mueven los coches, "con este STM es posible tener cuatro nanocoches operando en paralelo en la misma superficie, y por tanto organizar una carrera".

Foto real al microscopio electrónico del nanocoche de Tour. Tour Group Rice University

Así, Joachim y Rapenne lanzaron la idea de la Primera Carrera Mundial de Nanocoches, que sus promotores definen como "una fantástica aventura humana y científica". Rapenne dirige el equipo francés Nanomobile Club. Otras cuatro escuderías han recogido el guante para presentar sus bólidos: Tour y Leonhard Grill, de la Universidad de Graz (Austria), lideran el Nanocar Team; Francesca Moresco, de la Universidad Técnica de Dresde (Alemania), estará al frente de la Nano-Windmill Company; Waka Nakanishi, del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, dirigirá el Nano-Vehicle MANA-NIMS; y por último, Saw-Wai Hla y Éric Masson, de la Universidad de Ohio (EEUU), se presentan con el Ohio Bobcat Nano-Wagon Team.

Como la Fórmula 1, esta modalidad automovilística tiene también su reglamento. Los nanocoches rodarán sobre una pista de oro en línea recta, sorteando cinco obstáculos de átomos de oro hasta llegar a la meta. Una dificultad añadida es que cada equipo deberá construir su propia pista, que será verificada antes de la carrera por los jueces. Dado que el microscopio solo puede acoger a cuatro vehículos cada vez, se establecerán eliminatorias hasta determinar quién es el vencedor. En cuanto a los bólidos, son de libre configuración, aunque se recomienda que tengan en torno a unos 100 átomos y que incluyan cuatro ruedas de libre giro, un chasis y un motor.

Autos Locos

Los cinco equipos están ahora inmersos en el desarrollo de sus prototipos, que deberán tener a punto para octubre de 2016. Al contrario que en las carreras del mundo grande, los nanocoches son muy diversos en sus diseños, como aquellos Autos Locos de los dibujos animados. Para Rapenne, esto es un reflejo de la propia historia del automóvil: "Es muy similar a lo que ocurría hace un siglo, cuando todos los coches eran muy diferentes; ahora todos se parecen".

Así, el modelo francés lleva ruedas de aspas y posee una zona de carga donde podrían transportarse nanomercancías. Por su parte, el bólido de Tour y Grill recuerda más en su apariencia a un monoplaza de carreras con ruedas globosas, mientras que el concepto de Ohio insinúa un todoterreno de enormes neumáticos.

Los de aspecto más inusual son el alemán y el japonés. El primero hace honor a su nombre, Windmill, con una forma que evoca las aspas de un molino de viento. Por último, el vehículo nipón es el más extraño, con un extremo en forma de pinzas. La nanotecnóloga Waka Nakanishi explica a EL ESPAÑOL las razones de su diseño: "Nuestro nanocoche es blando, a diferencia de los de otros equipos. Nuestra molécula tiene una bisagra, como las tenazas o tijeras". Nakanishi precisa que estas tenazas moleculares han funcionado muy bien en el agua, pero admite: "Aún no lo hemos probado en la superficie de oro".

Los modelos que van a competir, a escala y en plastilina. Cemes.fr

Pese a esta disparidad de aspectos, todos ellos deberán enfrentarse a difíciles retos comunes. En primer lugar, señala Tour, "diseñar un coche que pueda manipularse en esa superficie específica". Pero una vez diseñado habrá que construirlo, algo que cada equipo hará sobre la marcha y sobre la propia pista. "Primero tendremos que analizar los datos para confirmar si lo que hemos creado es el coche o una chatarra", dice en un vídeo Yasuhiro Shirai, constructor del motor del modelo japonés. Y una vez comprobado que el coche existe según lo planeado, hay que "imaginar las técnicas apropiadas para conducirlo", añade Tour. Por supuesto, en toda carrera existe un riesgo de colisión. "El coche podría descomponerse durante la carrera", advierte Shirai. "En términos de competición, podría estrellarse".

Sin embargo, todos los competidores apuestan por la victoria, si bien lejos del triunfalismo propio de estos casos. "Nuestras posibilidades de ganar son de uno dividido entre el número de participantes", apunta irónicamente Tour a EL ESPAÑOL. "Pero lo haremos lo mejor posible", agrega. Rapenne confía en el estado de su proyecto: "Ya hemos sintetizado nuestro nanocoche; no es el caso del equipo de Ohio, que está seguro de ganar pero aún no tiene coche". Nakanishi aún duda de cómo se desenvolverá su prototipo sobre el oro, aunque asegura: "Creo que la experiencia en el agua me da buenas esperanzas de ganar".

Se diría que el espíritu de competición aún no ha calentado demasiado la carrera. Pero cuando llegue la hora de la verdad, los cinco bólidos deberán medir sus fuerzas hasta que solo quede un vencedor. Este será proclamado el 27 de noviembre en la feria de tecnología Futurapolis. Los organizadores todavía no han aclarado si, respetando la vieja tradición, habrá laureles y champán para regar al público.