Meccanica dell’infinitamente piccolo: NanoGear, verso un ingranaggio molecolare

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Bologna e dell’Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività del Consiglio nazionale delle ricerche di Bologna (Cnr-Isof) guidato da Massimo Baroncini e da Alberto Credi, ha progettato, costruito e collaudato NanoGear, un congegno costituito da componenti molecolari in grado di funzionare come un ingranaggio. Lo studio è pubblicato dalla prestigiosa rivista Chem.

La trasmissione e la trasformazione di movimenti nanometrici nelle molecole biologiche sono alla base delle principali funzioni degli organismi viventi. Ciò nonostante, questi fenomeni sono poco conosciuti nelle molecole artificiali perché sono estremamente difficili da pianificare e da osservare. La realizzazione di ingranaggi molecolari come NanoGear è un primo passo verso lo sviluppo di dispositivi meccanici superminiaturizzati basati su motori molecolari, con potenziali applicazioni rivoluzionarie in diversi settori della tecnologia e della medicina”, afferma Alberto Credi.

NanoGear appartiene alla classe dei rotassani ed è costituita da tre componenti: un anello che può scorrere lungo un asse al centro del quale è installato un rotore. L’anello è libero di scorrere lungo l’asse per tutta la sua lunghezza, ma non può sfuggire perché due gruppi ingombranti (stopper) posizionati alle estremità dell’asse gli impediscono di sfilarsi. Il rotore è libero di ruotare attorno al proprio asse e possiede due pale differenti per facilitare l’osservazione del movimento. L’elemento progettuale principale di NanoGear risiede nel fatto che il rotore è legato direttamente all’asse con un legame chimico (covalente) vero e proprio, mentre l’anello è bloccato meccanicamente intorno all’asse dalla presenza degli stopper. Sia la traslazione dell’anello che la rotazione delle pale sono oscillazioni casuali determinate dall’energia termica della molecola; in altre parole, l’ingranaggio non è accoppiato a nessun motore ed opera “in folle”. Per osservare i movimenti e misurarne le velocità sono state usate raffinate tecniche di risonanza magnetica nucleare. Alla temperatura di 65 °C l’anello oscilla linearmente da un capo all’altro dell’asse circa 7 volte al minuto, passando sopra il rotore, mentre nello stesso lasso di tempo quest’ultimo compie circa 260 rotazioni. Pertanto, i due moti non sono sincronizzati, ma si influenzano reciprocamente, come dimostrato da esperimenti compiuti su molecole simili a NanoGear, ma prive di rotore o di anello. Un altro risultato significativo e inatteso è l’effetto del mezzo in cui si trova la molecola: cambiando il solvente, uno dei due movimenti viene rallentato, mentre l’altro risulta accelerato. Questa specie di “lubrificazione specifica”, che non trova corrispondenze nel mondo macroscopico, costituisce una delle proprietà non convenzionali dei nanodispositivi che potrebbero condurre a radicali innovazioni tecnologiche.

La realizzazione di dispositivi artificiali costituiti da molecole è di grande interesse. “Come dimostrato dai risultati ottenuti negli ultimi anni in laboratori di tutto il mondo, con la nanotecnologia potremo avere materiali più leggeri e resistenti, computer e robot più piccoli e potenti, migliori sistemi per trasformare e immagazzinare l’energia, nuovi metodi per la terapia e la diagnostica medica”, dice in conclusione Alberto Credi. “NanoGear è un passo piccolo ma significativo in questa direzione. Anche se al momento è difficile individuare un utilizzo specifico di NanoGear, queste ricerche di base hanno un potenziale rivoluzionario per la scienza e la tecnologia che va ben oltre l’applicazione pratica di breve termine”, conclude il ricercatore.

Fonte: Stereodynamics of E/Z isomerization in rotaxanes through mechanical shuttling and covalent bond rotation, Chem.

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