Considera un pezzo di corda corto:potresti indovinare quali nodi hanno maggiori probabilità di formarsi se lo accartocci e lo scuoti? I chimici sintetici hanno lavorato a lungo su una versione molecolare di questo problema, e finora, sono riusciti a sintetizzare una mezza dozzina di tipi di nodi utilizzando tecniche di autoassemblaggio molecolare. Ma quali altri tipi di nodo potrebbero essere realizzati in futuro? Questa è la sfida impegnativa che gli scienziati della SISSA, in collaborazione con l'Università di Padova, hanno affrontato l'uso di simulazioni al computer in questo nuovo lavoro pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Gli scienziati hanno individuato una rosa di candidati, una sorta di "tavola periodica" dei tipi di nodo più designabili, ovvero quei nodi che potrebbero facilmente autoassemblarsi in condizioni fisiche e chimiche appropriate. Le scoperte, ottenuti con modelli computazionali predittivi, sono supportati dagli ultimi risultati sperimentali e dovrebbero aiutare la sintesi di topologie ancora da scoprire. Questo studio, e la capacità sempre più predittiva delle tecniche di modellazione molecolare, può creare nuove possibilità per future applicazioni avanzate, come la costruzione di sofisticate macchine molecolari per caricare e consegnare merci su scala nanometrica.

Non solo una sfida intellettuale

"C'è un crescente interesse scientifico per le molecole complesse. In questo contesto, la possibilità di progettare e sintetizzare nuovi tipi di nodi molecolari è particolarmente interessante, "dice Mattia Marenda, primo autore di questa ricerca.

"Fino a poco tempo fa, erano stati sintetizzati solo pochi tipi di nodi molecolari. Questi erano i nodi più semplici nelle tavole matematiche, cioè quelli che hanno al massimo 5 incroci essenziali." Si poteva quindi prevedere che il successivo tipo di nodo da sintetizzare avrebbe avuto sei incroci. Tuttavia, in uno studio computazionale del 2015, il co-autore Cristian Micheletti e i suoi collaboratori hanno sostenuto che il tipo di nodo da scoprire più semplice e più progettabile era significativamente più complesso e presentava fino a otto incroci essenziali. Questa previsione è stata confermata sperimentalmente nel 2017 e ha motivato lo studio attuale, che ha impiegato un'esplorazione più sistematica delle forme o delle configurazioni che possono essere formate da blocchi di costruzione identici cuciti insieme in modo simile a una stringa.

"Con questi modelli, abbiamo mirato a scoprire quali nuovi tipi di nodi molecolari, se del caso, sarebbe più facile da ottenere con le attuali tecniche di chimica sintetica, in particolare l'autoassemblaggio. Abbiamo scoperto che esistono questi tipi di nodi privilegiati, ma sono molto rari. Tra milioni di semplici tipi di nodo sono realizzabili solo una dozzina di topologie diverse. I risultati dei nostri modelli avevano una semplicità intrinseca, " dice Marenda. "La tessitura molecolare di questi tipi di nodi è modulare e altamente simmetrica. Abbiamo usato queste caratteristiche come criteri di selezione per vagliare l'enorme spazio combinatorio dei modelli di tessitura molecolare e abbiamo ottenuto un elenco ristretto di tipi di nodi che dovrebbero essere facilmente assemblati da pochi elementi costitutivi identici".

"La lista è simile a una tavola periodica, in quanto è organizzato in righe e colonne che riflettono diversi aspetti della prevista difficoltà di realizzazione pratica, " continua Micheletti. "I risultati sono supportati da recenti esperimenti e questo suggerisce che la tabella potrebbe effettivamente essere utile ai chimici sperimentali per la scelta delle topologie target per ulteriori studi e applicazioni".

Quali sono i possibili risultati a lungo termine di questa ricerca? "A quest'ora, " spiega Marenda, "chimici e fisici si sono concentrati principalmente su dimostrazioni proof-of-concept della progettazione e sintesi di nodi molecolari. Tuttavia, sono già state suggerite interessanti vie applicative."

Un esempio principale è l'assemblaggio di gabbie molecolari:"In questo caso, sostanze specifiche potrebbero essere annidate o intrappolate all'interno di intrecci di nodi molecolari sintetici. Quest'ultimo potrebbe quindi fungere da macchina molecolare controllabile, in grado di caricare o rilasciare un carico su scala nanometrica a seconda delle specifiche condizioni fisico-chimiche. Si tratta di prospettive interessanti e allettanti per possibili applicazioni in medicina o elettronica".