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06 ott 2016

Il Nobel per la chimica agli inventori dei motori molecolari

Il Nobel per la chimica agli inventori dei motori molecolari
Il premio Nobel per la chimica di quest'anno è stato conferito a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e a Bernard L. Feringa, “per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari”, macchine di dimensioni nanometriche con movimenti controllati e in grado di svolgere un compito quando si fornisce energia. 


Jean-Pierre Sauvage dell' Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires-ISIS, è nato a Parigi nel 1944. Ha conseguito il PhD all'Università di Strasburgo, in Francia, dov'è attualmente professore emerito. Sir J. Fraser Stoddart è nato a Edimburgo, in Scozia, nel 1942. Dopo il PhD conseguito all'Università di Edimburgo nel 1966, ha lavorato per la Queen's University, in Canada, Sheffield University, in Regno Unito, e l'Università della California a Los Angeles, per approdare infine alla Northwestern University a Evanston, in Illinois. Bernard L. Feringa (Cortesia Università di Groeningen) è nato nel 1951 a Barger-Compascuum, nei Paesi Bassi. Ha conseguito il PhD nel 1978 presso l'Università di Groningen, dove attualmente insegna.

Il grande fisico statunitense, Richard Feynman, si esprimeva per fare una delle sue previsioni più profetiche, e cioè che nel micromondo si sarebbero presto aperte enormi possibilità di sviluppo della ricerca e della tecnologia. In un'altra occasione, nel 1984, lo stesso Feynman, nel corso di una lezione pose all'uditorio una domanda fondamentale: “Quanto può essere piccola una macchina?”.


L'intento era capire quanto di potessero rimpicciolire elementi in grado di muoversi autonomamente. Oggi sappiamo che ci si può spingere fino alle dimensioni molecolari, grazie alle ricerche di Sauvage, Stoddart e Feringa.

Verso la metà del secolo scorso molti chimici erano impegnati nel tentativo di sintetizzare molecole avanzate. In particolare cercavano di inanellare tra loro diverse molecole a a struttura circolare in modo da produrre una micro-catena. 

La svolta arrivò nei primi anni ottanta da un gruppo di chimici francesi guidati da Sauvage. L'ispirazione giusta venne dalla fotochimica, che studia le interazioni tra molecole e radiazione luminosa, in particolare come sfruttare l'energia della radiazione luminosa per innescare reazioni desiderate.

Sauvage riuscì a ottenere una molecola ad anello e una a forma di mezzaluna in modo che fossero entrambe attratte da uno ione rame. Quest'ultimo forniva poi la forza coesiva in grado di tenere insieme le due molecole. In un passo successivo, veniva aggiunta una seconda molecola a mezzaluna in grado chiudere la prima a formare un anello, realizzando così i primi due anelli della catena, una volta rimosso lo ione rame. E la resa della reazione era sorprendente: 42 per cento.

Sauvage capì presto che la riuscita dell'esperimento avrebbe aperto le porte alla realizzazione di macchine molecolari a partire dalle catene molecolari, battezzate catenani. Nel 1994, il gruppo di Sauvage realizzò una di queste strutture in cui un anello ruotava in modo controllato intorno all'altro se dall'esterno veniva fornita energia al sistema.

Il secondo embrione di macchina molecolare fu realizzato da Stoddart nel 1991. Stoddart realizzò un anello aperto in cui mancavano elettroni e una lunga sbarra, o asse, che aveva invece un'abbondanza di elettroni in due diversi punti. Quando le due molecole poste in soluzione si incontravano, la sbarra s'infilava nell'anello. E fornendo energia dall'esterno, l'anello si spostava avanti e indietro tra i due punti dell'asse ricchi di elettroni, come in minuscolo ascensore. Fu così che fu creato il primo rotaxano, o rotassano: una molecola ad anello vincolata meccanicamente a un asse, o assale.

Seguirono altri sviluppi, e diversi prototipi di rotaxani, con movimenti sempre più controllabili dagli sperimentatori. Nel 2004 era stata la volta di un piccolo ascensore, in grado di sollevarsi di 0,7 nanometri rispetto a una superficie; nel 2005 di un muscolo artificiale, in cui un rotaxano era in grado di piegare una sottile lamina d'oro. E negli ani successivi di un minuscolo chip per computer basato su un rotaxano dotato di una memoria da 20 chilobyte (kB).

Di grande interesse per questo ambito di studi sono anche le molecole in grado di ruotare intorno al proprio asse sempre nello stesso verso. Le realizzazioni più interessanti sono state quelle di Feringa, a partire dal 1999. Ciascuna di queste molecole era composta da due strutture piatte, assimilabili alle pale di un'elica, unite da un doppio legame tra due atomi di carbonio. Una volta esposto il sistema a una radiazione ultravioletta, una delle pale ruotava di 180 gradi attorno al doppio legame centrale.

Il gruppo di Feringa ha perfezionato sempre più questo motore molecolare fino a ottenere nel 2011 una nano-automobile a quattro ruote motrici, in cui ogni ruota era un motore molecolare, e nel 2014 un motore molecolare con un regime di rotazione di 12 milioni di giri al secondo.

Fonte: "Le Scienze"  

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