Want create site? Find Free WordPress Themes and plugins.

1I premi Nobel 2016 per la Chimica, assegnati a Sauvage, Stoddart e Feringa, mostrano un futuro glorioso per la chimica e per la sintesi di nuovi materiali. Si parla di macchine molecolari, shuttle ed ascensori nanometrici e legami meccanici: in quest’articolo vi spieghiamo che cosa sono.

Il premio Nobel per la Chimica quest’anno è stato assegnato a Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart e Bernard Feringa “per il design e la sintesi delle macchine molecolari”. Una macchina molecolare è un insieme di componenti, per l’appunto molecolari, in grado di reagire ad uno stimolo esterno con un movimento tipico di quello di una macchina. Il concetto fu introdotto da Richard Feynman, intorno al 1950, e sviluppato negli ultimi anni da una serie di gruppi di ricerca nel mondo. L’obiettivo quello di costruire delle macchine a partire dagli atomi, sintetizzare i componenti e controllare il loro moto relativo per produrre l’operazione desiderata. Un traguardo non facile da raggiungere, considerando che si parla di molecole!

Legami meccanici

Intorno al 1950 la ricerca cercava di sintetizzare delle catene molecolari che non contenessero i classici legami covalenti, in cui gli elettroni vengono condivisi, bensì dei legami meccanici, fisici, proprio come delle catene. La possibilità di realizzare i legami meccanici fu investigata ed effettivamente confermata, ma con metodi di sintesi e rese di reazione estremamente basse. Per cui, l’ipotesi di formare legami di questo tipo fu abbandonata.

Catenani (in alto) e rotassani (in basso)
Catenani (in alto) e rotassani (in basso)

Dopo qualche decennio, il gruppo di ricerca di Jean-Pierre Sauvage riuscì a migliorare tale processo di sintesi in maniera eccellente. I ricercatori coordinarono una molecola ciclica ed un’altra (non ciclica) ad uno ione rame. Il metallo ha lo scopo di tenere insieme le due molecole, grazie al legame di coordinazione. In uno step successivo di sintesi, riuscirono a chiudere l’anello della seconda molecola e ad eliminare il metallo, in modo da formare un legame meccanico. Uno schema semplificato è riportato, seguito da uno in cui vengono descritti gli step di sintesi.

 1. e 2. Le molecole si coordinano allo ione rame. 3. Una terza molecola permette di chiudere il secondo anello 4. Il rame viene rimosso: si forma il legame meccanico.
1. e 2. Le molecole si coordinano allo ione rame. 3. Una terza molecola permette di chiudere il secondo anello 4. Il rame viene rimosso: si forma il legame meccanico.
Formazione di un legame meccanico, schema di sintesi
Formazione di un legame meccanico, schema di sintesi

Sulla base di questa tecnica, Sauvage e colleghi svilupparono una serie di molecole interconnesse da mechanical bonds, come quelle mostrate nella figura sottostante. Ciò diede il via alla sintesi delle macchine molecolari. In queste, infatti, le parti devono muoversi in relazione l’una con le altre e ciò è proprio quello che accade nelle strutture connesse da legami meccanici.

Alcune strutture sintetizzate da Sauvage e colleghi.
Alcune strutture sintetizzate da Sauvage e colleghi.

Shuttle molecolare

Un ulteriore passo avanti venne fatto da Stoddart e colleghi, i quali erano impegnati ugualmente con i mechanical bonds. Il gruppo di ricerca dell’Università di Sheffield, però, sfruttava un principio differente: le interazioni avvenivano tra unità aromatiche ricche e povere di elettroni, rispettivamente. In base a questi studi, Stoddart riuscì a fare in modo che una molecola si muovesse lungo un asse molecolare, secondo il meccanismo mostrato in figura.

Una molecola si muove lungo un asse molecolare.
Una molecola si muove lungo un asse molecolare nelle due differenti direzioni.

Nel 1994, i gruppi di ricerca di Stoddart e Sauvage riuscirono a controllare i movimenti delle molecole interconnesse. Per esempio, cambiando la struttura dell’asse molecolare (in particolar modo introducendo asimmetrie), Stoddart e colleghi riuscirono a far in modo che lo shuttle potesse muoversi lungo i due estremi sfruttando variazioni di pH o reazioni elettrochimiche di ossidazione/riduzione. La natura casuale dei sistemi chimici venne per la prima volta superata. Il gruppo di Stoddart realizzò in seguito una serie di progetti formidabili, tra queste un’ascensore molecolare, capace di innalzarsi ad un’altezza di 0.7 nanometri.

Motori molecolari

Un altro importante obiettivo dei ricercatori era la realizzazione di un motore molecolare, ossia una macchina in grado di girare continuamente in una direzione. A raggiungere l’obiettivo, nel 1999, fu il gruppo di ricerca del chimico olandese Ben Feringa, che sfruttò l’isomerizzazione cis-trans di doppi legami. Questa è già osservata in diversi processi naturali, ad esempio risulta fondamentale per la visione: gli impulsi nervosi inviati al cervello, ed associati alla visione, sono generati infatti da una modifica strutturale di una molecola (la rodopsina) che è dettata da un’isomerizzazione di un doppio legame. Tornando ai motori, come si vede dalla figura, grazie ad irradiazione con luce ultravioletta, una parte della molecola ruota di 180°. I ricercatori riuscirono ad ottenere una rotazione monodirezionale della molecola con una frequenza che, nel 2014, è stata ottimizzata a 12 MHz.

Il motore molecolare di Ben Feringa
Il motore molecolare di Ben Feringa

A seguito della scoperta, i ricercatori incorporarono i motori molecolari in un cristallo liquido e grazie ad essi riuscirono a far ruotare un cilindro di vetro di 28 micrometri (10 mila volte più grande dei motori) posto al di sopra del cristallo.  Il gruppo di Feringa, inoltre, sintetizzò una nanoautomobile, il cui funzionamento sfruttava quattro motori molecolari, attaccati ad un asse.

Il futuro delle macchine molecolari

Numerosi passi avanti sono stati fatti dalle scoperte dei tre vincitori del Premio Nobel: decine di differenti strutture e motori molecolari sono stati sviluppati da numerosi gruppi di ricerca nel mondo. Parlare di applicazioni, comunque, è prematuro, in quanto la ricerca si trova ancora ai primissimi stadi. I ricercatori devono trovare il modo di sintetizzare miliardi di motori molecolari che lavorino in maniera concertata, in modo da produrre un effetto macroscopico, e che ovviamente possano essere facilmente controllati ed utilizzati. Un futuro eccitante è in vista per la chimica e per la sintesi di nuovi materiali smart.

Il caso Balzani: il Nobel e l’Italia

Risale al 1963 l’assegnazione di un premio Nobel per la Chimica ad un italiano, si tratta di Giulio Natta, il quale scoprì come controllare la stereochimica delle reazioni di polimerizzazione del polipropilene. Nell’ambito della ricerca sulle macchine molecolari, premiata quest’anno dal comitato di assegnazione del Nobel, un contributo particolare è stato dato da un chimico italiano, Vincenzo Balzani, professore emerito dell’Università di Bologna. Balzani ha collaborato con Sauvage e Stoddart per la realizzazione dei primi prototipi di macchine molecolari, è uno degli autori del libro “Molecular devices and machines” (primo sull’argomento, pubblicato nel 2003) ed ha dato contributi importanti sullo studio dei movimenti delle molecole indotti dalla luce.

Per tal motivo la Società Chimica Italiana ha pubblicato un comunicato in cui si fa luce sul motivo della sua esclusione dal premio ed in cui l’indebolimento della ricerca italiana è posto come uno dei problemi per il quale gli scienziati italiani non riescono ad ottenere, in ambito internazionale, i meritati risultati. È doveroso citare il prezioso lavoro di Balzani, in questo settore di ricerca, con orgoglio e, soprattutto, con un po’ di rammarico.

ilpositivismo.com

Did you find apk for android? You can find new Free Android Games and apps.