L'Alambicco n°5 - Maggio 2011

I chimici, soprattutto in questi ultimi anni, mettendo nuove idee nei loro vecchi matracci, hanno attuato una grande rivoluzione: hanno imparato a lavorare a livello molecolare come dei veri e propri ingegneri con l’intento di costruire congegni e macchine di dimensioni nanometriche.

È la nanotecnologia dei chimici, “il connubio fra il talento sintetico e una mentalità di tipo ingegneristico”, come l’ha definita il premio Nobel R. Hoffman. I chimici dunque hanno cominciato ad utilizzare le molecole come vero e proprio materiale da costruzione: sanno creare molecole aventi struttura e proprietà predeterminate e sanno metterle assieme nel modo voluto per formare sistemi supramolecolari in grado di svolgere funzioni più pregiate di quelle che possono svolgere le molecole separatamente.

Con questo concetto dell’ingegneria molecolare è stato possibile, ad esempio, costruire sistemi supramolecolari in grado di funzionare da macchine molecolari, cioè sistemi in cui avvengono movimenti meccanici a comando. Può sembrare una cosa strana parlare di macchine molecolari, ma in realtà qualsiasi organismo vivente contiene macchine molecolari che lo fanno muovere, vivere: le cellule del nostro corpo hanno centinaia di differenti tipi di macchine molecolari, ciascuna specializzata in una certa funzione. Le macchine molecolari, quindi, esistono in Natura e sono perfette, miracolose, ma anche complicatissime. Quelle che i chimici possono creare in laboratorio sono, ovviamente, molto più semplici, ma altrettanto affascinanti.

Sono state, ad esempio, sviluppate macchine molecolari formate da molecole filiformi programmate per infilarsi spontaneamente in molecole ad anello (autoassemblaggio). Alle due estremità delle molecole filiformi sono, poi, stati aggiunti dei gruppi molto ingombranti, detti stopper, per impedirne lo sfilamento. Il sistema supramolecolare che ne risulta è chiamato rotassano perché costituito da una “ruota” ed un “asse” (Figura 1). In questi rotassani l’anello può spostarsi lungo il filo, nel quale trova due “stazioni”, sulle quali può posizionarsi a causa di favorevoli interazioni chimiche; l’anello sta di preferenza sulla stazione con la quale interagisce meglio. Con uno stimolo esterno è però possibile destabilizzare l’interazione fra l’anello e la stazione preferenziale, provocando così lo spostamento dell’anello sull’altra stazione. Con un altro stimolo è poi possibile riattivare la stazione preferenziale e far tornare l’anello su di essa (Figura 1). Si tratta di movimenti semplici, una specie di pallottoliere, ma a livello molecolare, cioè alle dimensioni dei nanometri.

Macchine di questo tipo possono funzionare anche utilizzando solo luce solare, come ad esempio il sistema mostrato in Figura 2. Si tratta di un rotassano di notevole complessità strutturale e funzionale costituito da un componente ad anello, con caratteristiche di elettron-donatore, e da un componente lineare formato da varie unità: (a) il complesso [Ru(bpy)₃]²⁺, che svolge sia la funzione di stopper che quella fondamentale di assorbire la luce utilizzata dal sistema per operare, (b) uno spaziatore rigido, (c) due unità con caratteristiche elettron-accettrici che svolgono il ruolo di ‘stazioni’ per l’anello e, infine, (d) un secondo stopper.

Ebbene, questo sistema è stato progettato in modo tale che ogni impulso luminoso assorbito dall’unità [Ru(bpy)₃]²⁺ causa, attraverso quattro stadi, il movimento alternato dell’anello fra le due stazioni del filo senza generare prodotti di scarto; il comportamento è quello, a livello molecolare, di un motore lineare a quattro tempi azionato dalla luce.

Un altro sistema particolarmente interessante è quello costituito da una molecola formata da tre “fili” che si dipartono da un componente centrale, e da un’altra che consta di tre “anelli” fusi fra loro in modo da formare una specie di piattaforma. Le due molecole sono state programmate in modo tale che i tre fili entrano spontaneamente nei tre anelli, come fossero tre “colonne” verticali per la piattaforma formata dai tre anelli (Figura 3).

Questo sistema supramolecolare compie in qualche modo la funzione di un ascensore perché con stimoli esterni è possibile spostare la piattaforma in alto o in basso, in corrispondenza di due stazioni presenti nelle colonne verticali. Si tratta, però, di un ascensore un po’ particolare dal momento che è alto 3,5 nanometri, largo 2,5 nanometri e, quando funziona, la piattaforma si sposta di soli 0,7 nanometri, mettendo in gioco un’energia di 0,2 nanonewton.

Al di là di futuristiche applicazioni le ricerche nel campo delle macchine molecolari dimostrano quanto sia importante la creatività per lo sviluppo della Chimica. Questa disciplina infatti può essere vista come un libro che non è soltanto da leggere, ma anche da scrivere; se la parte ancora da leggere è vasta, quella che si può scrivere è praticamente infinita: solo chi affiderà la sua penna alla creatività potrà scrivere nuove ed importanti pagine nel grande libro della Natura. Queste pagine saranno tanto più importanti per l’umanità quanto più ciò che vi è scritto verrà usato per la pace, per alleviare la povertà, per ridurre le disuguaglianze fra paesi ricchi e paesi poveri e per preservare il nostro pianeta Terra.