Muscoli artificiali che possono essere controllati dalla luce
Un chimico sviluppa materiali intelligenti basati su minuscole macchine molecolari
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Muscoli robotici che si contraggono in risposta a un impulso di luce; schermi a forma di cubo su cui si possono vedere immagini tridimensionali da tutte le direzioni: Il Prof. Dr. Henry Dube della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vuole sviluppare nei prossimi quattro anni materiali per applicazioni completamente nuove. Si basano su minuscole macchine molecolari, ciascuna composta da poche decine di atomi. Il chimico vuole combinarne diversi tipi in tessuti tridimensionali che permettano di svolgere funzioni diverse a seconda del tipo e della disposizione degli elementi costitutivi. Il progetto è finanziato dalla Fondazione Volkswagen con oltre 900.000 euro.
L'idea di Dube non è così esotica come sembra: In tutti gli esseri viventi sono all'opera innumerevoli macchine molecolari, ognuna specializzata per compiti specifici. I muscoli, ad esempio, sono costituiti da proteine che si muovono l'una sull'altra con movimenti simili a quelli di un pull-up, provocando l'accorciamento del muscolo. "Da tempo stiamo sviluppando molecole che in linea di principio consentono funzioni simili", spiega lo scienziato, che dal 2020 dirige la cattedra di Chimica organica I alla FAU. Tuttavia, di solito hanno una struttura completamente diversa dalle loro controparti naturali e sono anche molto più piccole".
Si tratta, ad esempio, di minuscole ruote dentate, composte da poche decine di atomi, che possono essere raggruppate per formare ingranaggi". Dube ha anche già costruito nano-motori o pinzette in grado di afferrare gli oggetti più piccoli. Nel progetto della Fondazione Volkswagen, ora vuole fare un ulteriore passo avanti. Innumerevoli "molecole pull-up" sono collegate in serie in un muscolo. Inoltre, sono collegate centinaia di migliaia di volte in modo da poter sviluppare insieme una forza sufficiente. "Vogliamo anche produrre un tessuto tridimensionale in cui collegare numerose macchine molecolari secondo regole definite", spiega il chimico. "A seconda dei diversi tipi di blocchi di costruzione che combiniamo in questi polimeri, possiamo creare materiali intelligenti per un'ampia varietà di applicazioni".
Materiali le cui proprietà possono essere programmate con la luce
In questo modo dovrebbe essere possibile, ad esempio, produrre muscoli artificiali per nuovi tipi di robot. A differenza delle loro controparti naturali, non saranno controllati da impulsi di tensione, ma dalla luce. "Molte delle nanomacchine che utilizziamo cambiano forma quando vengono esposte alla luce", spiega Dube. "Questo ci permette, ad esempio, di innescare dei movimenti". Questo cambiamento di forma spesso fa sì che assumano anche un colore diverso. In questo modo, ad esempio, è possibile produrre schermi simili a cubi su cui scrivere immagini tridimensionali. Queste possono essere viste da tutte le direzioni e, a differenza delle incisioni laser sul vetro, possono anche essere facilmente cancellate.
"Stiamo anche progettando di produrre materiali le cui proprietà possono essere programmate", spiega il chimico. "Ad esempio, potrebbero diventare solidi se esposti alla luce blu ed elastici se esposti alla luce rossa". Sarebbe persino possibile costruire un braccio di presa che diventi elastico solo per un breve periodo e in un punto definito e che possa essere piegato in quel punto.
Un territorio scientifico inesplorato
Con il suo progetto Dube sta aprendo nuove strade. La Fondazione Volkswagen lo finanzia nell'ambito del suo programma Momentum. Questo programma è rivolto a scienziati che hanno assunto una cattedra da poco tempo e vogliono espandere le loro competenze in un nuovo campo. "Come chimici organici, di solito lavoriamo con singole molecole", dice. "Con le nostre idee, tuttavia, ci stiamo spostando nella scienza dei materiali, un campo che richiede competenze completamente diverse". Per questo motivo utilizzerà i fondi della fondazione per finanziare postdoc che abbiano le competenze necessarie proprio in questo settore. "Sono assolutamente ottimista sul fatto che saremo in grado di realizzare con successo le nostre idee in questo modo".
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