Sintesi chimica: un nuovo metodo generalizzabile per la formazione meccanica di strutture molecolari 3D
Nuove possibilità per la progettazione di materiali innovativi
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I fili o le corde possono essere facilmente utilizzati per intrecciare, annodare e tessere. In chimica, tuttavia, lavorare i fili molecolari in questo modo è un compito quasi impossibile. Questo perché le molecole non solo sono minuscole, ma sono anche in continuo movimento e quindi non possono essere facilmente toccate, tenute o modellate con precisione.
Un gruppo di ricerca dell'Istituto di Chimica della Humboldt-Universität zu Berlin (HU), guidato dal dottor Michael Kathan, è ora riuscito ad avvolgere con precisione due filamenti molecolari l'uno intorno all'altro utilizzando un motore molecolare artificiale guidato dalla luce, creando così una struttura particolarmente complessa: un catenano (dal latino "catena" = catena). I catenani sono costituiti da due molecole a forma di anello che si intrecciano come gli anelli di una catena, senza essere chimicamente legati l'uno all'altro. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Il nanomotore porta un nuovo tipo di controllo meccanico nel mondo delle molecole
"Quello che abbiamo sviluppato è fondamentalmente una mini-macchina alimentata dalla luce che ruota in una direzione", spiega Michael Kathan. "Usiamo questo movimento controllato per avvolgere meccanicamente due filamenti molecolari l'uno intorno all'altro e collegarli, indipendentemente dal fatto che lo farebbero da soli o meno. Il nostro motore porta ora una sorta di controllo meccanico nel mondo delle molecole, che prima conoscevamo solo dal mondo macroscopico".
Il nuovo metodo può formare una grande varietà di strutture tridimensionali specifiche
Nella chimica di sintesi, in passato è stato estremamente difficile intrecciare le molecole in modo mirato, soprattutto se questa disposizione contraddice il processo naturale di auto-organizzazione molecolare. In natura, le molecole sono costantemente in movimento e in questo processo possono formare strutture tridimensionali. I componenti strutturali delle cellule, come le proteine o la molecola genetica del DNA, sono assemblati in questo modo. Tuttavia, di solito non si tratta di strutture fisse e permanenti. In laboratorio sono stati spesso utilizzati modelli molecolari per definire strutture specifiche, ma in genere funzionano solo con determinate molecole. Il nuovo metodo adotta un approccio diverso: la macchina molecolare artificiale può forzare un'ampia varietà di molecole in strutture tridimensionali definite con precisione. Azionato dalla luce, il motore rotante genera a ogni passo una torsione meccanicamente definita, che viene poi fissata chimicamente. Il movimento è direzionale e programmabile. "Il nostro metodo è il primo approccio senza modelli che consente un controllo meccanico così preciso ed è anche facilmente generalizzabile", afferma Michael Kathan.
Nuove possibilità per la progettazione di materiali innovativi
I catenani sintetizzati in laboratorio con il nuovo metodo sono considerati i mattoni fondamentali per strutture meccanicamente intrecciate come catene molecolari, tessuti o reti. Lo studio dimostra per la prima volta che tali strutture possono essere prodotte in linea di principio da molecole molto diverse tra loro e fornisce quindi un approccio concettuale fondamentale e generalizzabile: architetture complesse e definite meccanicamente sono tecnicamente realizzabili a livello molecolare. Ciò amplia il campo di applicazione della sintesi chimica e apre la strada alla progettazione di interi materiali a partire da molecole meccanicamente intrecciate. Questi materiali possiederebbero proprietà uniche: un'elevata flessibilità combinata con un'eccezionale robustezza dovuta alla loro architettura molecolare.
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