Utilizzando la stampa 3D avanzata, I ricercatori del Dartmouth College hanno scoperto la chiave per trasformare nanoanelli microscopici in materiali intelligenti che svolgono lavori su scala umana.

Le nanomacchine possono già fornire farmaci e fungere da memorie per computer su piccola scala nanometrica. Integrando una tecnica di stampa 3D sperimentata presso il Ke Functional Materials Group di Dartmouth, i ricercatori possono sbloccare un potenziale ancora maggiore per queste mini-macchine.

La ricerca è stata pubblicata il 22 marzo nell'edizione online di Angewandte Chemie , la prestigiosa rivista della Società Chimica Tedesca.

"Fino ad ora, sfruttare il lavoro meccanico delle nanomacchine è stato estremamente difficile. Ci stiamo lentamente avvicinando al punto in cui le minuscole macchine possono funzionare su una scala che possiamo vedere, toccare e sentire." ha detto Chenfeng Ke, Professore assistente di chimica al Dartmouth College e ricercatore principale per la ricerca.

In un esempio fornito da Ke, il materiale intelligente di prima generazione ha sollevato un centesimo del peso di 2,268 g. La moneta, 15 volte il peso della struttura che lo ha sollevato, è stato sollevato di 1,6 mm, l'equivalente di un essere umano che solleva un'auto.

"La creazione di materiali intelligenti basati su nanomacchine è ancora straordinariamente complessa e siamo solo all'inizio, ma questa nuova tecnica potrebbe consentire la progettazione e la fabbricazione di dispositivi intelligenti complessi che sono attualmente al di fuori della nostra portata, " ha detto Ke.

Il design del nuovo materiale si basa su una ricerca vincitrice del premio Nobel che ha trasformato molecole meccanicamente interbloccate (MIM) in macchine performanti su scala nanometrica. In precedenza, i ricercatori hanno dimostrato come la luce, il calore e i livelli di pH alterati potrebbero forzare il movimento all'interno di una struttura – nota come rotassano – composta da anelli su un asse molecolare. Più o meno allo stesso modo in cui le perline vengono infilate su una corda, lo scorrimento – o la spola – degli anelli lungo l'asse fa sì che le molecole cambino forma e immagazzinino energia.

Secondo il giornale, I MIM sono già ampiamente utilizzati come navette molecolari, interruttori, muscoli e pompe. Ma per anni, i chimici sono stati ostacolati dal problema di ordinare le loro posizioni casuali. Stabilire tale ordine è fondamentale per impedire alle strutture di annullare il movimento meccanico reciproco in modo che i loro movimenti molecolari possano essere amplificati.

"Il nostro lavoro fornisce il primo principio di progettazione per aggiungere la stampabilità 3D alle nanomacchine. È importante sottolineare che abbiamo anche trasformato i moti molecolari in macroscala per fare un lavoro utile, " ha detto Ke, che ha svolto la sua ricerca post-dottorato con uno dei premi Nobel 2016, Sir Fraser Stoddart.

Il gruppo di ricerca ha progettato e sintetizzato gel a base di MIM con proprietà desiderabili per la stampa 3D. Utilizzando le interazioni del legame idrogeno tra i nanoanelli, hanno stampato con successo strutture 3D simili a reticoli. Reticolando gli assi, sono state create strutture con una buona integrità strutturale 3D e stabilità meccanica.

I ricercatori hanno scoperto che la complessa architettura 3D di queste strutture può essere deformata e riformata in modo reversibile attraverso lo scambio di solventi che commuta la struttura ad anello filettato tra stati spola casuali e stati stazionari a livello molecolare. È stato riscontrato che questo comportamento di cambiamento di forma e di recupero si ripete facilmente molte volte.

"Proprio come spostare le perline per rafforzare o indebolire una corda, questa azione è critica perché consente l'amplificazione del movimento molecolare in movimento macroscopico attraverso la conversione dell'energia chimica in ingresso in lavoro meccanico, " ha detto Qianming Lin, il primo autore dell'articolo e uno studente laureato del primo anno presso il Dipartimento di Chimica del Dartmouth College.

Ke e il suo team sperano che questo progresso consentirà agli scienziati di sviluppare materiali e dispositivi intelligenti. Per esempio, aggiungendo contrazione e torsione al movimento ascendente, le macchine molecolari potrebbero essere utili come robot morbidi che completano compiti complicati simili a una mano umana.