Anche se i nodi possono essere una seccatura, sono anche molto utili quando si tratta di allacciare i lacci o quando si va in barca a vela. In matematica, ci sono non meno di 6 miliardi di nodi potenziali diversi, ma che dire dei nodi in chimica? Dagli anni '70, gli scienziati hanno cercato di legare insieme le molecole per creare nuovi, proprietà meccaniche su misura che potrebbero dare origine a nuovi materiali. I primi successi avvennero 20 anni dopo, ma il processo rimane laborioso.

Oggi, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, hanno sviluppato una tecnica semplice ed efficace per fare nodi nelle molecole, e hanno osservato per la prima volta i cambiamenti nelle proprietà che risultano da questi incastri. I risultati, pubblicato sulla rivista Chimica:una rivista europea , aprire nuove prospettive per la progettazione di materiali e il trasferimento di informazioni a livello molecolare.

I nodi sono sicuramente utili. Ma per quanto riguarda la chimica? È possibile legare insieme le molecole? L'idea è apparsa per la prima volta nel 1971 con l'obiettivo di creare nuovi materiali indotti dai cambiamenti nelle proprietà meccaniche e fisiche che deriverebbero da questi incastri. Ma non è stato fino al 1989 che Jean-Pierre Sauvage, il premio Nobel per la chimica 2016 francese, successo. Gli scienziati hanno successivamente lavorato duramente per cercare di formare nodi, ma rimane una sfida.

"Per legare insieme le molecole, devi usare metalli che si attaccano alle molecole e indirizzarle su un percorso ben preciso, formando le intersezioni necessarie per fare i nodi, " spiega Fabien Cougnon, ricercatore presso il Dipartimento di Chimica Organica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. "Ma è un processo complesso che spesso si traduce in una perdita di materia prima superiore al 90%. La quantità risultante di nodi molecolari è in genere solo di pochi milligrammi al massimo, non abbastanza per creare nuovi materiali."

Molecole idrofobiche che si legano insieme da sole

I chimici dell'UNIGE hanno sviluppato una nuova tecnica che consente di creare facilmente molecole interconnesse. "Utilizziamo molecole di grasso che mettiamo a bagno in acqua riscaldata a 70 gradi. Poiché sono idrofobe, cercano a tutti i costi di sfuggire all'acqua, riunirsi e annodarsi per mezzo dell'autoassemblaggio, "dice Tatu Kumpulainen, ricercatore presso il Dipartimento di Chimica Fisica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE.

Grazie a questa nuova tecnica, i chimici ginevrini possono fare nodi molecolari senza sforzo, e, cosa ancora più importante, senza perdere alcun materiale. "Trasformiamo fino al 90% dei reagenti di base in nodi, il che significa che possiamo considerare un'analisi reale dei cambiamenti nelle proprietà meccaniche indotte dai nodi, che non è mai stato fatto prima, " nota Cougnon. Anche se non possono scegliere come le molecole sono annodate insieme, sono in grado di riprodurre lo stesso nodo a piacimento, perché la stessa struttura chimica formerà sempre un nodo identico in ambiente acquoso.

Ogni nodo ha le sue proprietà meccaniche

Ora che annodare le molecole è diventato facile, cosa possono fare i ricercatori con questi nodi? C'è qualche valore nel formarli? Per verificare l'impatto degli incastri, i chimici ginevrini hanno scelto una famiglia di molecole che hanno tutte lo stesso design:assorbono l'ultravioletto, sono fluorescenti e sono altamente sensibili all'ambiente generale, soprattutto la presenza di acqua.

"Abbiamo creato quattro nodi, dal più semplice al più complesso (zero, Due, tre e quattro intersezioni), che abbiamo confrontato con una molecola di riferimento che ne costituisce la base, " spiega Cougnon. "Per fare questo, abbiamo usato prima la risonanza magnetica nucleare (NMR) per osservare la rigidità delle diverse parti dei nodi e la velocità e il modo in cui si muovono l'uno rispetto all'altro." Gli scienziati hanno scoperto un primo cambiamento nelle proprietà meccaniche:più complessi sono i nodi, meno si muovono.

I chimici hanno successivamente utilizzato la spettroscopia per confrontare tra loro gli spettri dei quattro nodi. "Abbiamo subito notato che i singoli nodi più sciolti (zero e due intersezioni) si comportavano allo stesso modo della molecola di riferimento, " continua Kumpulainen. "Ma quando i nodi sono più complessi, le molecole, che erano più strette, hanno cambiato le loro proprietà fisiche e il loro colore! Il loro modo di assorbire ed emettere luce differiva dalla molecola di riferimento." Questo cambiamento di colore significa che gli scienziati possono visualizzare le proprietà meccaniche specifiche di ogni assemblaggio, compresa la sua elasticità, struttura, movimento o posizione.

Per la prima volta, i chimici di Ginevra hanno dimostrato che le molecole annodate modificano le proprietà meccaniche. "Ora vogliamo essere in grado di controllare questi cambiamenti dalla A alla Z in modo da poter utilizzare questi nodi, Per esempio, come indicatori delle proprietà dell'ambiente, " dice Kumpulainen. Ora che non c'è perdita di materiale durante la realizzazione delle intersezioni, hanno anche in programma di costruire nuovi materiali, come elastici, utilizzando le reti di nodi. "Alla fine, possiamo considerare di trasferire informazioni all'interno di un nodo grazie ad un semplice cambio di posizione su una parte del nodo che si rifletterebbe in tutta la struttura e trasmetterebbe l'informazione, " conclude Cougnon.