Le macchine molecolari


Una macchina molecolare, o nanomacchina, è stata definita come un numero discreto di componenti molecolari che eseguono movimenti simil-meccanici (output) in risposta a specifici stimoli (input). Spesso è applicata in modo più generale alle molecole che semplicemente imitano le funzioni a livello macroscopico. Il termine è comune anche in nanotecnologia e un numero di macchine molecolari altamente complesse sono state proposte con lo scopo di costruire un assemblatore molecolare. Le macchine molecolari possono essere divise in due ampie categorie: sintetiche e biologiche. I sistemi molecolari che sono capaci di spostare un processo meccanico o chimico lontano dall’equilibrio rappresentano un ramo potenzialmente importante della chimica e della nanotecnologia.
Simili a macchine macroscopiche, le macchine molecolari in genere hanno parti mobili. Tuttavia, mentre le macchine macroscopiche che incontriamo nella vita quotidiana possono fornire ispirazione per le macchine molecolari, è fuorviante tracciare analogie tra le loro strategie di progettazione; le dinamiche delle scale di lunghezza, grandi e piccole, sono semplicemente troppo diverse.
Da una prospettiva sintetica, ci sono due importanti tipi di macchine molecolari: interruttori (switch) molecolari (o navette) e i motori molecolari. La principale differenza tra i due sistemi è che un interruttore influenza lo stato di un sistema, mentre un motore ne influenza la traiettoria.
Spingendosi sempre più verso l’infinitamente piccolo, i ricercatori sono ormai giunti a produrre macchine composte da pochissime molecole organizzate in precise strutture.
Il primo motore elettrico costituito da una singola molecola è stato realizzato da un gruppo di ricercatori della Tufts University, uno sviluppo che potenzialmente può dare origine a una nuova classe di dispositivi sfruttabili in una vasta serie di applicazioni. Ha un diametro di un solo nanometro e potrebbe aprire la strada a una vasta serie di applicazioni che vanno dalla medicina all’ingegneria che vanno dalla medicina all’ingegneria.
Una molecola organica può essere trasferita lungo una traiettoria rettilinea, su una distanza relativamente ampia e con una precisione elevata: lo dimostra un nuovo studio che ha utilizzato un microscopio a scansione e una superficie di argento. Il risultato consente di acquisire informazioni utili sulle dinamiche molecolari in gioco durante una reazione chimica.
Richiama l’immagine di un telegrafo l’esperimento che si è guadagnato la copertina di “Science”: riproduce schematicamente un segnale trasmesso da un emettitore a un ricevitore. La particolarità è che a viaggiare da un punto all’altro lungo un traiettoria rettilinea è una molecola! A realizzarlo è stato un gruppo di ricercatori dell’Università di Graz, in Austria, dell’Università di Aachen, in Germania, e dell’Oak Ridge National Laboratory, negli Stati Uniti.
L’esperimento s’inserisce dell’ambito delle ricerche che riguardano la progettazione e la sintesi di macchine molecolari sempre più complesse, la cui importanza è segnalata anche dall’attribuzione del Nobel per la chimica nel 2016 a Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart e Bernard Feringa.
Un punto d’interesse riguarda in particolare la possibilità di spostare una singola molecola su un percorso relativamente lungo indirizzandola verso un sito preciso. “Studiando il movimento di singole molecole, possiamo acquisire nuove informazioni su processi fisici e chimici che, per esempio, sono rilevanti per le dinamiche molecolari durante una reazione chimica”, ha spiegato Leonhard Grill, coautore dell’articolo.
Nello studio, gli autori hanno allineato singole molecole organiche della lunghezza di due nanometri (miliardesimi di metro) lungo specifiche direzioni su una superficie di argento utilizzando la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel. In queste condizioni, le molecole sono estremamente mobili, anche alla temperatura di -266 °C a cui vengono mantenute, ma il loro movimento è condizionato dalla struttura regolare della superficie metallica che definisce dei veri e propri binari.
Applicando a questo punto un campo elettrostatico, si può far muovere la molecola lungo una linea retta in entrambe le direzioni, a seconda di come è orientato il campo. In questo modo le molecole possono essere spostate su distanze di circa 150 nanometri con una precisione molto elevata, pari a circa 0,01 nanometri.
“Abbiamo potuto dimostrare che nonostante la superficie piatta a livello microscopico, le molecole si muovono solo in una direzione”, ha aggiunto Grill. “Durante questo processo è stato possibile misurare il tempo impiegato e quindi stabilire la velocità della molecola, risultata di 0,1 nanometri al secondo”.
Come spiegano Friederich Esch e Barbara Lechnere, del Politecnico di Monaco di Baviera, in Germania, l’esperimento è simile ad altri già condotti, ma è la prima volta che si ottengono un simile precisione e un così elevato livello di controllo del movimento.

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Fonte:
Le Scienze
Nature Nanotechnology