Grazie a un design chimico intelligente, i ricercatori del Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) dell'Università di Amsterdam sono riusciti a realizzare una macchina molecolare molto veloce. Le parti mobili si spostano di più di un nanometro l'una rispetto all'altra in un tempo record di 30 miliardesimi di secondo. I risultati sono stati recentemente pubblicati nel Giornale della Società Chimica Americana .

La macchina molecolare è un rotassano, una struttura molecolare con una molecola a forma di anello attorno a una molecola a forma di filo allungato. L'anello può spostarsi da un lato all'altro del filo, proprio come un bus navetta.

I ricercatori di Amsterdam hanno raggiunto la loro velocità record grazie a un nuovo design molecolare che consente a un lato del filo di attirare la navetta verso di sé, com'era. Inoltre, hanno usato un concetto completamente nuovo per innescare il movimento, una reazione fotochimica acido-base.

Controllo del movimento con la luce

L'HIMS Molecular Photonics Group ha lavorato per parecchio tempo su motori molecolari a base di rotaxano il cui movimento può essere controllato dalla luce. Nel caso dei rotassani più semplici, l'anello scorrevole non ha una direzione preferita, quindi si muove casualmente sul filo. Nelle varietà più avanzate, il filo contiene "stazioni" molecolari che introducono una preferenza dell'anello per determinate posizioni sul filo. Modificando chimicamente queste stazioni con l'aiuto della luce, sintonizzando la loro attrazione per l'anello, è possibile far muovere l'anello da una stazione all'altra. In questo modo, un lampo di luce del colore giusto può controllare il movimento su una scala di lunghezza nanometrica.

Questo principio è stato applicato con successo dal gruppo di Amsterdam e altrove (ad esempio i gruppi di ricerca dei premi Nobel Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage e Ben Feringa). Al momento, il campo della ricerca delle macchine molecolari è ancora agli inizi, ma le potenziali applicazioni future di tali motori molecolari commutabili sono, Per esempio, computer molecolari.

L'unico problema con il meccanismo è il tempo di percorrenza. Se l'anello si trova in una certa stazione, e un'altra stazione è resa più attraente per mezzo della luce, devi solo aspettare che l'anello lasci spontaneamente la sua stazione di partenza, e poi finisce alla stazione di rilegatura più forte camminando a caso sul filo. Se il filo è lungo, questo processo può richiedere molto tempo.

Meccanismo arpione

Fred Brouwer e il suo dottorato di ricerca. lo studente Tatu Kumpulainen ha trovato una soluzione:hanno progettato una macchina molecolare in cui la stazione terminale ha un'attrazione così forte per l'anello che deforma il filo permettendo alla stazione di afferrare l'anello, e poi trascinalo sul filo fino alla sua destinazione finale (vedi immagine). Questo cosiddetto meccanismo arpione ha permesso loro di creare una navetta molecolare a velocità record. Le molecole sono state realizzate da un maestro della chimica organica:Bert Bakker. È da tempo in pensione, ma gode ancora del suo lavoro di laboratorio.

Per misurare la velocità della navetta molecolare, Brouwer e Kumpulainen hanno lavorato insieme ai colleghi Matthijs Panman e Sander Woutersen. Hanno usato un breve impulso di luce ultravioletta per indurre il movimento dell'anello, e poi un secondo impulso di luce infrarossa per seguirne il movimento. Il tempo di registrazione misurato è stato di 30 nanosecondi per una distanza coperta di un nanometro. Ciò significa una velocità media di 3 cm al secondo. Può sembrare lento, ma è 4000 volte più veloce della proteina motoria biologica più veloce (miosina, che provoca la contrazione dei nostri muscoli). Una delle sfide per il futuro è far funzionare insieme le piccole molecole motorie artificiali proprio come le proteine ​​motorie nei nostri muscoli.