I bastoncini di MOF multivariati (a sinistra) possono essere programmati con diversi atomi di metallo (sfere colorate) per eseguire una serie di compiti chimici, come il rilascio controllato di farmaci, o per codificare informazioni come quelle e gli zeri in un computer digitale. Credito:immagine dell'UC Berkeley di Omar Yaghi e Zhe Ji
Le molecole artificiali potrebbero un giorno formare l'unità informativa di un nuovo tipo di computer o essere la base per sostanze programmabili. L'informazione sarebbe codificata nella disposizione spaziale dei singoli atomi, in modo simile a come la sequenza delle coppie di basi determina il contenuto informativo del DNA, o sequenze di zero e uno formano la memoria dei computer.
Ricercatori dell'Università della California, Berkeley, e Ruhr-Universität Bochum (RUB) hanno fatto un passo avanti verso questa visione. Hanno dimostrato che la tomografia a sonda atomica può essere utilizzata per leggere una complessa disposizione spaziale di ioni metallici in strutture metallo-organiche multivariate.
Le strutture metallo-organiche (MOF) sono reti porose cristalline di nodi multimetallici collegati tra loro da unità organiche per formare una struttura ben definita. Per codificare le informazioni utilizzando una sequenza di metalli, è essenziale essere prima in grado di leggere la disposizione metallica. Però, leggere l'arrangiamento è stato estremamente impegnativo. Recentemente, l'interesse per la caratterizzazione di sequenze di metalli sta crescendo a causa delle ampie informazioni che tali strutture multivariate sarebbero in grado di offrire.
Fondamentalmente, non c'era alcun metodo per leggere la sequenza del metallo nei MOF. Nello studio attuale, il team di ricerca lo ha fatto con successo utilizzando la tomografia con sonda atomica (APT), in cui lo scienziato dei materiali di Bochum Tong Li è un esperto. I ricercatori hanno scelto MOF-74, realizzata dal gruppo Yaghi nel 2005, come oggetto di interesse. Hanno progettato i MOF con combinazioni miste di cobalto, cadmio, guida, e manganese, e poi ha decifrato la loro struttura spaziale usando APT.
Li, professore e capo del gruppo di ricerca sulla caratterizzazione su scala atomica presso l'Istituto per i materiali del RUB, descrive il metodo insieme al Dr. Zhe Ji e al Professor Omar Yaghi dell'UC Berkeley nella rivista Scienza , pubblicato online il 7 agosto 2020.
Sofisticata come la biologia
Nel futuro, I MOF potrebbero costituire la base di molecole chimiche programmabili:ad esempio, un MOF potrebbe essere programmato per introdurre un ingrediente farmaceutico attivo nel corpo per colpire le cellule infette e quindi scomporre l'ingrediente attivo in sostanze innocue una volta che non è più necessario. Oppure i MOF potrebbero essere programmati per rilasciare farmaci diversi in momenti diversi.
"Questo è molto potente, perché fondamentalmente stai codificando il comportamento delle molecole che lasciano i pori, " ha detto Yaghi.
Potrebbero anche essere usati per catturare CO 2 e, allo stesso tempo, convertire la CO 2 in una materia prima utile per l'industria chimica.
"A lungo termine, tali strutture con sequenze atomiche programmate possono cambiare completamente il nostro modo di pensare alla sintesi materiale, " scrivono gli autori. "Il mondo sintetico potrebbe raggiungere un livello completamente nuovo di precisione e raffinatezza che è stato precedentemente riservato alla biologia".
