Premio Nobel per la Chimica 2016

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Può una macchina essere mille volte più piccola di un capello? La risposta è sì e coloro che l’hanno inventata hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2016. Si tratta degli scienziati Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa e le macchine molecolari sono state la loro scoperta.

Premio Nobel per la Chimica 2016

Premio Nobel per la Chimica 2016

In realtà, le macchine molecolari in natura esistono da quando si è sviluppata la vita. Gli esseri umani sono il prodotto di tanti ingranaggi che, a livello nanoscopico, ci fanno muovere, respirare ecc… Basti pensare all’azione dell’actina e della miosina durante la contrazione muscolare. Quello che però nessuno, fino alle scoperte di Sauvage, Stoddart e Feringa, era riuscito a fare era di ricrearle in un laboratorio.

I primi sforzi cominciarono a metà del XX secolo quando i chimici cercarono di produrre delle catene molecolari costituite da molecole a forma di anello legate le une alle altre. Generalmente gli atomi sono legati tra di loro condividendo i propri elettroni attraverso i cosiddetti legami covalenti, la sfida era quindi quella di creare dei legami meccanici dove le molecole erano intrecciate le une alle altre senza che ci fosse un’interazione tra gli atomi.
I tentativi furono diversi, ma a causa di metodi di sintesi complicati e delle scarse quantità di prodotto ottenute, questo ramo della chimica sembrava avviato verso un vicolo cieco fino a quando, nel 1983 un gruppo di ricerca francese guidato dal chimico Jean-Pierre Sauvage, fece una scoperta che rappresentò la svolta.

Come spesso accade nel mondo scientifico, Sauvage e colleghi fecero la loro clamorosa scoperta mentre stavano facendo ricerca su tutt’altro. In particolare, Sauvage stava studiando come specifiche molecole fossero in grado di assorbire la radiazione solare in modo da poterla poi usare per favorire lo sviluppo di reazioni chimiche. Durante il suo esperimento, si accorse che usando uno ione di rame e opportune molecole, si formava un anello costituito da due molecole incatenate. La quantità di prodotto ottenuta fu quaranta volte superiore rispetto a quelle avute utilizzando le tecniche di sintesi standard.
Dalla sintesi di questa molecola, successivamente nominata catenano, Sauvage fece un primo passo verso i motori molecolari. In effetti, quando veniva fornita energia al sistema, uno degli anelli costituenti questa catena molecolare ruotava intorno all’altro.

Jean-Pierre Sauvage usò uno ione di Rame per intrecciare molecole usando un legame meccanico

Jean-Pierre Sauvage usò uno ione di Rame per intrecciare molecole usando un legame meccanico (Fonte: Nobelprize.org)

Il secondo passo verso i motori molecolari fu compiuto da Stoddart. In particolare, la struttura che concepì era costituita da una molecola a forma di anello aperto con carenza di elettroni e da una molecola lineare (un filo) con un’abbondanza elettronica localizzata in due punti. Quando queste due molecole venivano portate in soluzione ed entravano in contatto, si osservò che quella con carenza di elettroni era attratta dalle estremità elettron-ricche. Il risultato? L’anello si infilava nel filo. In uno step successivo, la molecola ad anello veniva “chiusa” in modo tale che rimanesse bloccata sul “filo molecolare”. Questa complessa struttura fu chiamata rotaxano: una molecola ad anello attaccata ad un’asse.
Ma per farla muovere occorreva un input esterno. Similmente al caso del catenano, quando veniva fornito calore, l’anello si muoveva tra le estremità elettron-ricche della catena, avanti e indietro.
Basandosi su questo principio, Stoddard costruì un piccolo ascensore molecolare, dove l’anello andava su e tornava giù (spostandosi di appena 0,7 nanometri), e un muscolo artificiale. Ma è forse la creazione di un chip-molecolare (costituito dal rotaxano) dalla memoria di 20 kB ad essere una delle scoperte più incredibili che potrebbe aprire nuove frontiere verso una ulteriore miniaturizzazione dei calcolatori.

Stoddart creò un sistema molecolare in grado di far muovere un anello avanti e indietro lungo un filo

Stoddart creò un sistema molecolare in grado di far muovere un anello avanti e indietro lungo un filo (Fonte: Nobelprize.org)

La nano-auto di Feringa

La nano-auto di Feringa (Fonte: Nobelprize.org)

Il primo motore molecolare fu realizzato da Ben Feringa nel 1999. Normalmente le molecole tendono a ruotare casualmente nello spazio, Feringa invece riuscì per la prima volta a sintetizzare una molecola costruita appositamente per ruotare in una direzione particolare. Quando la molecola era esposta agli impulsi della luce ultravioletta (UV), essa ruotava di 180°. E così ad ogni impulso di radiazione UV. Questa rotazione, che assomiglia molto a quella di una ruota, è stata applicata alla sintesi di una nano-auto molecolare in grado di muoversi lungo una superficie.

Questi sistemi hanno potenzialmente un’infinità di applicazioni differenti: dalla miniaturizzazione dei calcolatori alla realizzazione di nuovi sensori passando per la possibilità di aprire nuovi orizzonti circa lo stoccaggio di energia. Come suggerito durante la premiazione avvenuta oggi a Stoccolma, potremmo essere all’inizio di una nuova rivoluzione industriale.

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