Un team di scienziati ha utilizzato le microonde per svelare l'esatta struttura di un minuscolo motore molecolare. La nano-macchina è costituita da una sola molecola, composto da 27 atomi di carbonio e 20 di idrogeno (C27H20). Come un motore macroscopico ha uno statore e un rotore, collegato da un asse. L'analisi rivela proprio come le singole parti del motore sono costruite e disposte l'una rispetto all'altra. Il team guidato da DESY Leading Scientist Melanie Schnell riporta i risultati sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Il motore molecolare artificiale è stato sintetizzato dal team del premio Nobel olandese Ben Feringa dell'Università di Groningen, coautore dell'articolo. Feringa ha ricevuto il Premio Nobel 2016 per la Chimica insieme a Jean-Pierre Sauvage dell'Università di Strasburgo e Sir Fraser Stoddart della Northwestern University negli Stati Uniti per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari.

"Le prestazioni funzionali di tali nano-macchine emergono chiaramente dalle loro proprietà strutturali uniche, " scrivono gli autori nel loro studio. "Per comprendere meglio e ottimizzare i macchinari molecolari è importante conoscere la loro struttura dettagliata e come questa struttura cambia durante le fasi meccaniche chiave, preferibilmente in condizioni in cui il sistema non è perturbato da influenze esterne."

Il motore rotativo qui esaminato è molto promettente per alcune applicazioni, come spiega il primo autore Sérgio Domingos di DESY e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD):"I chimici sono tutti in fermento per questa molecola e cercano di collegarla con una serie di altre molecole". Quando attivato dalla luce, la nanomacchina opera attraverso passaggi fotochimici e termici consecutivi, compiendo mezzo giro. Un secondo grilletto costringe quindi il motore a completare un giro completo, tornando alla posizione di partenza.

"Una tale attivazione tramite luce è ideale in quanto fornisce un mezzo non invasivo e altamente localizzato per attivare a distanza il motore, " dice Domingos. "Potrebbe essere usato, ad esempio, come un'efficiente funzione motoria integrabile con un farmaco, stabilire il controllo sulla sua azione e rilasciarlo in un punto preciso del corpo:i farmaci fotoattivanti del futuro. Ma vengono in mente anche applicazioni come la catalisi attivata dalla luce e la trasmissione del movimento a livello molecolare al mondo macroscopico. Per tali applicazioni è importante comprendere l'esatta struttura della molecola del motore e come funziona in dettaglio".

La composizione atomica della molecola motore era stata studiata in precedenza con i raggi X. Per l'analisi ai raggi X le molecole dovevano prima essere trasformate in cristalli. I cristalli poi diffrangono i raggi X in modo caratteristico, e dal modello di diffrazione risultante può essere calcolata la disposizione degli atomi. "In contrasto, abbiamo studiato il galleggiamento libero, molecole isolate in un gas, " spiega Schnell, che lavora presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), una collaborazione tra DESY, l'Università di Amburgo e la Società Max Planck. "In questo modo possiamo vedere la molecola così com'è, privo di qualsiasi influenza esterna come solventi o leganti."

Per determinarne la struttura, le molecole fluttuanti dovevano essere esposte a un campo di microonde risonante. "Abbiamo usato un campo elettromagnetico per orientare le molecole tutte nella stessa direzione in modo coerente e poi abbiamo registrato il loro rilassamento quando il campo è spento, " spiega Schnell, che guida anche un gruppo di ricerca alla MPSD ed è professore di chimica fisica all'Università di Kiel. "Questo rivela le cosiddette costanti di rotazione della molecola, che a sua volta ci forniscono informazioni accurate sulla sua disposizione strutturale."

Questa analisi di questa cosiddetta spettroscopia a microonde non è semplice. Nel caso della molecola motore, gli scienziati hanno dovuto abbinare più di 200 linee dello spettro e confrontare i loro numeri con simulazioni di calcoli di chimica quantistica. "Per quanto riguarda il numero di atomi, il motore molecolare attualmente è la molecola più grande la cui struttura è stata risolta con la spettroscopia a microonde, " spiega Schnell.

Per far galleggiare le molecole nella camera a microonde, dovevano essere riscaldati a 180 gradi Celsius prima di essere raffreddati rapidamente a meno 271 gradi. "Il riscaldamento ha fatto crollare alcuni motori, rottura all'asse, " riferisce Domingos. "In questo modo abbiamo potuto vedere il rotore e lo statore indipendentemente l'uno dall'altro, confermando le loro strutture. Questo ci fornisce anche qualche indizio sul meccanismo attraverso il quale si sfalda".

L'analisi finale indica alcune piccole deviazioni dalla struttura determinate con i raggi X, dove le molecole interagiscono tra loro in un cristallo. "Questo dimostra che la struttura del motore è inequivocabilmente influenzata dal suo ambiente, " dice Domingos. Ancora più importante, la tecnica delle microonde apre la possibilità di studiare la dinamica della molecola motore. "Ora che possiamo vedere la molecola com'è realmente, vogliamo catturarlo in azione, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.