Motori molecolari artificiali azionati dalla luce

155144419-35dd8553-e155-48ac-ab2f-d977a45a94c3Autore del lavoro candidato: Alberto Credi

SINTESI CONTENENTE UNA BREVE DESCRIZIONE DEL LAVORO SVOLTO E DEI RISULTATI OTTENUTI: Negli organismi viventi, compresi gli esseri umani, i motori molecolari svolgono funzioni primarie quali il trasporto di substrati, la regolazione di funzioni biochimiche e lo sviluppo di lavoro meccanico (ad esempio la contrazione muscolare). Tali motori sono in grado di convertire energia in movimenti direzionali e funzionano in modo ripetitivo, mantenendosi lontano dall’equilibrio chimico. Sebbene alcune prove di laboratorio abbiano dimostrato la potenziale utilità di macchine molecolari sintetiche nei settori della catalisi, scienza dei materiali, tecnologia dell’informazione e medicina, lo sviluppo di sistemi chimici non naturali che sfruttano processi dissipativi (ovvero di non equilibrio) è un problema aperto nel campo della nanoscienza ed è una premessa fondamentale per costruire motori molecolari artificiali. In questo lavoro è stato progettato e realizzato un sistema nel quale una molecola ad anello transita unidirezionalmente lungo una molecola a forma di asse, non simmetrica, infilata nella cavità dell’anello. Il processo di transito è azionato dall’irradiazione dei componenti molecolari in soluzione con luce ultravioletta o visibile, ed è ciclico e ripetitivo. Le caratteristiche uniche di questo sistema lo rendono di fatto il primo esempio di pompa molecolare artificiale azionata dalla luce. I componenti molecolari (anello e asse) sono stati progettati seguendo un approccio modulare e minimalista, ovvero inserendo nella loro struttura gli elementi funzionali minimi necessari per realizzare il movimento meccanico fotoindotto. Tale semplicità strutturale rende i componenti utilizzati molto facili da preparare, favorendo gli studi sperimentali e lo sviluppo di applicazioni. Il meccanismo ideato sfrutta la combinazione di reazioni di fotoisomerizzazione trans-cis (simili a quelle responsabili della visione nella retina) con processi supramolecolari di auto-assemblaggio. In questo modo, tramite l’azione della luce, il moto Browniano dei componenti molecolari viene rettificato così da ottenere movimenti direzionali dai quali è possibile estrarre lavoro meccanico. Per sfruttarne appieno la funzionalità, la pompa molecolare descritta deve essere integrata con altri sistemi o materiali nanostrutturati. Alcuni risultati preliminari relativi all’inserimento dei componenti molecolari in nanofibre polimeriche e in membrane biomimetiche sono già stati ottenuti dal gruppo di ricerca proponente. L’elevatissimo impatto di queste ricerche sulla comunità scientifica dimostra non solo il loro valore per il progresso della scienza di base, ma anche la portata rivoluzionaria delle loro possibili ricadute applicative nei settori della catalisi, dei materiali avanzati per la robotica, della conversione dell’energia solare e della nanomedicina.

 

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