"Great expectations: can artificial molecular machines deliver on their promise?" A. Coskun, M. Banaszak, R. D. Astumian, J. F. Stoddart, B. A. Grzybowski. CHEMICAL SOCIETY REVIEWS 41, 19 (2012). DOI: 10.1039/c1cs15262a
The development and fabrication of mechanical devices powered by artificial molecular machines is one of the contemporary goals of nanoscience. Before this goal can be realized, however, we must learn how to control the coupling/uncoupling to the environment of individual switchable molecules, and also how to integrate these bistable molecules into organized, hierarchical assemblies that can perform significant work on their immediate environment at nano-, micro and macroscopic levels. In this tutorial review, we seek to draw an all-important distinction between artificial molecular switches which are now ten a penny—or a dime a dozen—in the chemical literature and artificial molecular machines which are few and far between despite the ubiquitous presence of their naturally occurring counterparts in living systems. At the single molecule level, a prevailing perspective as to how machine-like characteristics may be achieved focuses on harnessing, rather than competing with, the ineluctable effects of thermal noise. At the macroscopic level, one of the major challenges inherent to the construction of machine-like assemblies lies in our ability to control the spatial ordering of switchable molecules—e.g., into linear chains and then into muscle-like bundles—and to influence the cross-talk between their switching kinetics. In this regard, situations where all the bistable molecules switch synchronously appear desirable for maximizing mechanical power generated. On the other hand, when the bistable molecules switch ‘‘out of phase,’’ the assemblies could develop intricate spatial or spatiotemporal patterns. Assembling and controlling synergistically artificial molecular machines housed in highly interactive and robust architectural domains heralds a game-changer for chemical synthesis and a defining moment for nanofabrication.
El desarrollo y la fabricación de dispositivos mecánicos impulsados con máquinas moleculares artificiales es uno de los actuales objetivos de la nanociencia. Sin embargo, antes de que este objetivo se alcance, debemos aprender cómo controlar el acoplamiento/desacoplamiento al medio circundante por parte de interruptores moleculares individuales, y también cómo integrar estas moléculas biestables a arreglos organizados y jerarquizados que puedan realizar trabajo significativo sobre el ambiente inmediato a nano, micro y marco escalas. En esta revisión buscamos bosquejar una diferencia importante entre los interruptores moleculares artificiales, de los cuales ahora hay muchísimos en la literatura química, y las máquinas moleculares artificiales, de las cuales sólo hay unas cuantas a pesar de se omniprescencia natural en los sistemas vivos. Al nivel de una sóla molécula, la perspectiva que prevalece para obtener las características propias de una máquina se centra en las sujeciones más que en la competición con los inevitables efectos del ruido térmico. A nivel macroscópico, uno de los retos principales inherente a la construcción de arreglos tipo máquina radica en la habilidad de controlar el orden espacial de las moléculas biestables, por ejemplo, ordenar en cadenas lineales y entonces en haces tipo musculares, e influir en la interferencia entre sus cinéticas de intercambio. En este sentido, las situación deseable para maximizar la potencia mecánica generada consist en que todas las moléculas biestables intercambien estado sincronizadamente. Por otro lado, cuando las moléculas biestables quedan "fuera de fase", los arreglos podrían desarrollar patrones espaciales o espaciotemporales sumamente intrincados. El ensamblaje y el control sinérgico de máquinas moleculares artificiales alojadas en dominios robustos y altamente interactivos anuncia un cambio en la manera de realizar síntesis química y define el momento para la nanofabricación.
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