I chimici dell'Università di Tokyo hanno progettato minuscoli nanocubi che brillano naturalmente di blu alla luce UV. Il bagliore è 3,9 volte più luminoso quando i cubi sono pieni di gas infiammabile. I nanocubi sono un primo passo verso la creazione di un sistema artificiale che imita la costruzione naturale, capacità di rilevamento e segnalazione della vita biologica. Pubblicato originariamente in Chimica delle comunicazioni , DOI:10.1038/s42004-019-0212-6. Credito:Zhan et al., CC-BY
Un cubo delle dimensioni di un quarantesimo di un globulo rosso umano può brillare quando rileva gas infiammabile. Il nanocubo, progettato dai chimici dell'Università di Tokyo, fa parte di un progetto di ricerca per sviluppare sistemi artificiali che mimino la complessa catena di eventi all'interno delle cellule viventi.
Il team di ricerca ha lavorato al progetto nanocube per oltre un decennio. Una caratteristica fondamentale del nanocubo, solo due nanometri per lato, è che si mette insieme, tentando di imitare il modo in cui le proteine e il DNA si uniscono nelle cellule viventi.
Imitare la vita
"Le persone pensano automaticamente ai dispositivi quando si parla di sensori. Ma ci sono molti esempi di sensori naturali nel corpo, " ha detto il professor Shuichi Hiraoka, il ricercatore capo del progetto del Dipartimento di Scienze di base dell'Università di Tokyo.
La catena di eventi di base in una cellula per rilevare e segnalare un segnale ha tre passaggi:(1) Un recettore rileva la molecola bersaglio, (2) il recettore invia un segnale al reporter e (3) il reporter trasmette il segnale altrove nella cellula.
Il nanocubo luminoso semplifica il sistema perché è sia il recettore (l'interno del cubo) che il reporter (il bagliore). "Per di qua, evitiamo il problema del trasferimento di informazioni dal recettore al giornalista, " ha spiegato Hiraoka.
I sensori Nanocube avvolgono completamente le molecole che contengono, il che significa che potrebbero essere particolarmente utili per distinguere tra molecole che hanno la forma di semplici catene di diversa lunghezza (alcani) senza gruppi funzionali unici.
Incandescente con il gas
I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno costruito un semplice, a buon mercato, rivelatore altamente sensibile e specifico di gas di petrolio liquefatto (GPL). Il gas viene rilevato da una minuscola scatola chiamata nanocubo, circa un quarantesimo delle dimensioni di un globulo rosso umano. Il nanocubo si illumina di blu sotto la luce fluorescente quando è pieno di gas. Pubblicato originariamente in Chimica delle comunicazioni DOI:10.1038/s42004-019-0212-6 Credito:Zhan et al., CC-BY
L'ultima analisi rivela che i nanocubi si illuminano di blu sotto la luce ultravioletta (UV) quando vengono riempiti con gas di petrolio liquefatto (GPL), un tipo di gas infiammabile. La sostanza chimica di cui è composto il cubo è una polvere bianca quando è secca, ma quando mescolato in acqua, sei molecole a forma di ingranaggio o fiocco di neve si collegano automaticamente per formare i cubi. Il bagliore naturale, o fluorescenza, dei nanocubi è un equilibrio di due caratteristiche fisiche in competizione di quelle molecole:il bagliore è limitato quando le molecole sono impilate come frittelle, ma è potenziato quando le molecole sono bloccate in posizione e leggermente allungate l'una dall'altra.
Tre molecole si uniscono ad ogni angolo del cubo, quindi i loro bordi sono "impilati" insieme, limitando il bagliore. Quando il cubo si riempie di gas, gli angoli si gonfiano leggermente e quel tratto migliora il bagliore.
Rivelatori di gas Nanocube
I ricercatori hanno costruito un economico, semplice rilevatore di gas che utilizza solo i nanocubi, una comune luce UV e un rilevatore di luce fluorescente. I nanocubi sono sensibili come qualsiasi rilevatore di gas attuale, il che significa che potrebbero rilevare quantità molto basse di GPL.
Però, i nanocubi sono incredibilmente specifici per il GPL. Non rilevano altri tipi simili di gas infiammabili, come il metano (gas naturale) o l'anidride carbonica (CO 2 ). Questa specificità si verifica probabilmente perché esattamente tre molecole di GPL si inseriscono in blocchi simili nel gioco Tetris per una perfetta aderenza all'interno del nanocubo.
I comuni rilevatori di gas non hanno questa specificità e suoneranno un allarme per qualsiasi tipo di gas pericoloso. "Il fatto che i sensori comuni non siano in grado di distinguere questi gas simili non è davvero un problema, perché sono tutti pericolosi per noi, " disse Hiraoka.
Piuttosto che progettare un nuovo rilevatore di gas, il vero obiettivo dei ricercatori è imitare la complessa catena di eventi per rilevare e riportare segnali nelle cellule viventi. I ricercatori stanno pianificando ulteriori progetti per alterare gli elementi costitutivi dei nanocubi in modo che i cubi possano rilevare molecole diverse e riportare segnali diversi.