I materiali che si assemblano da soli e poi semplicemente scompaiono alla fine della loro vita sono abbastanza comuni in natura. I ricercatori dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno ora sviluppato con successo materiali supramolecolari che si disintegrano in un momento predeterminato, una caratteristica che potrebbe essere utilizzata in numerose applicazioni.

Bottiglie di plastica, lattine vuote, vecchi giocattoli, magliette strappate e cellulari usurati, giorno per giorno, l'umanità produce milioni di tonnellate di rifiuti. Come possiamo impedire al nostro pianeta di soffocare nella spazzatura?

Fino ad oggi, il riciclaggio è il metodo di scelta. Ma è costoso:"Finora, la maggior parte delle sostanze artificiali sono chimicamente molto stabili:per decomporle di nuovo nei loro componenti, bisogna spendere molte energie, " spiega Job Boekhoven, professore di Chimica Supramolecolare alla TUM. Ispirato dai processi biologici il chimico sta perseguendo un'altra strada.

"La natura non produce discariche. Invece, le cellule biologiche sintetizzano costantemente nuove molecole da quelle riciclate. Alcune di queste molecole si assemblano in strutture più grandi, i cosiddetti assemblaggi supramolecolari che costituiscono i componenti strutturali della cellula. Questo insieme dinamico ci ha ispirato a sviluppare materiali che si smaltiscono da soli quando non sono più necessari. "

La natura come modello

Una delle differenze chiave tra le sostanze artificiali e la maggior parte dei materiali biologici viventi è la loro gestione energetica:i materiali artificiali sono in equilibrio con il loro ambiente. Ciò significa che non scambiano molecole ed energia, rimanendo così come sono.

La natura funziona secondo un altro principio:materiali biologici viventi, come pelle e ossa, ma anche cellule, non sono in equilibrio con il loro ambiente. Per la loro costruzione è necessario un apporto costante di energia e di elementi costitutivi, manutenzione e riparazione.

"Un tipico esempio di fonte di energia è l'adenosina trifosfato, ATP in breve, " spiega Boekhoven. "Finché è disponibile energia sufficiente, componenti danneggiati e intere cellule possono essere scomposte e sostituite con nuove, altrimenti l'organismo muore e si disintegra nei suoi mattoni di base."

Alla fine c'è solo polvere molecolare

I nuovi materiali esplorati da Boekhoven con un team interdisciplinare di chimici, fisici, e gli ingegneri della TU di Monaco si basano sul modello naturale:i mattoni molecolari sono inizialmente liberamente mobili, ma se l'energia viene aggiunta sotto forma di molecole ad alta energia, si formano strutture supramolecolari.

Questi si disintegrano autonomamente una volta esaurita l'energia. Così, la durata può essere predefinita dalla quantità di "carburante" aggiunto. In laboratorio, i materiali possono essere impostati per degradarsi autonomamente dopo alcuni minuti a diverse ore. Inoltre, seguendo un ciclo, il materiale degradato può essere riutilizzato semplicemente aggiungendo un altro lotto di molecole ad alta energia.

Dal laboratorio alla pratica

Gli scienziati hanno progettato diverse anidridi che si assemblano in colloidi, idrogel o inchiostri supramolecolari. In questi materiali una rete di reazioni chimiche converte i dicarbossilati in anidridi metastabili spinti dal consumo irreversibile di carbodiimmide come "combustibile". A causa del loro carattere metastabile, le anidridi si idrolizzano ai loro dicarbossilati originali con emivite nell'intervallo da secondi a diversi minuti.

Poiché le molecole formano strutture molto diverse a seconda della loro composizione chimica, si presentano numerose possibilità applicative. colloidi sferici, Per esempio, può essere caricato con molecole insolubili in acqua - queste potrebbero essere utilizzate per trasportare farmaci contro il cancro direttamente alla cellula tumorale. Al termine della loro missione, i colloidi si dissolverebbero autonomamente, rilasciando così i farmaci localmente.

Altri elementi costitutivi si assemblano in lunghe strutture fibrose che trasformano i fluidi in gel e potrebbero essere utilizzati per stabilizzare il tessuto appena trapiantato per un tempo predefinito, dopo di che il corpo assumerebbe questa funzione. E, gli inchiostri con una durata definita con precisione potrebbero essere prodotti da molecole che si assemblano in gruppi a forma di stella.

Sarà possibile costruire macchine supramolecolari o telefoni cellulari che semplicemente scompaiono quando non servono più? "Questo potrebbe non essere del tutto impossibile, " sottolinea Boekhoven, "ma c'è ancora molta strada da fare. In questo momento stiamo lavorando sulle basi".