In Emilia-Romagna sono di casa gli ingranaggi e le trasmissioni meccaniche, la Motor Valley del nord Italia. Un team di ricercatori dell'Università di Bologna e dell'Istituto di Sintesi Organica e Fotoreattività del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Isof) di Bologna, guidati da Massimo Baroncini e Alberto Credi, ha pianificato, costruito e gestito NanoGear, un dispositivo costituito da componenti molecolari interconnessi e progettato per funzionare come un ingranaggio. Poiché le molecole sono oggetti nanometrici (1 nanometro =1 milionesimo di millimetro), è un dispositivo estremamente piccolo:certamente, il più piccolo ingranaggio mai prodotto nella terra italiana dei motori.

"La trasmissione e la trasformazione dei movimenti nanometrici nelle molecole biologiche sono alla base delle principali funzioni degli organismi viventi. Tuttavia, questi fenomeni sono poco compresi nelle molecole artificiali perché sono estremamente difficili da identificare e osservare. La costruzione di dispositivi molecolari come NanoGear è un primo passo in avanti verso lo sviluppo di dispositivi meccanici ultraminiaturizzati basati su motori molecolari, con potenziali applicazioni rivoluzionarie in vari campi della tecnologia e della medicina", dice Alberto Credi.

Il dispositivo

La molecola NanoGear appartiene alla classe dei rotassani ed è costituita da tre componenti:un anello che può scorrere lungo un asse che porta al centro un rotore.

"L'anello è libero di muoversi lungo l'asse per tutta la sua lunghezza, ma non può sfuggire perché due ingombranti gruppi (tappi) posizionati alle estremità dell'asse ne impediscono lo sfilamento. Il rotore è libero di ruotare attorno al proprio asse e dispone di due diverse 'lame' per facilitare l'osservazione del movimento, " spiega Massimo Baroncini. "L'elemento progettuale principale di NanoGear risiede nel fatto che il rotore è direttamente collegato all'asse con un legame chimico (covalente) regolare, mentre l'anello è meccanicamente bloccato attorno all'asse dalla presenza dei fermi. Sia la traslazione dell'anello che la rotazione del rotore sono oscillazioni casuali determinate dall'energia termica della molecola; in altre parole, l'ingranaggio non è accoppiato ad alcun motore e funziona 'in folle'. Sono state utilizzate sofisticate tecniche di risonanza magnetica nucleare per osservare i movimenti e misurarne la velocità".

A 65 °C, l'anello si sposta da un'estremità all'altra dell'asse circa 7 volte al minuto, passando sopra il rotore; nello stesso lasso di tempo, quest'ultimo compie circa 260 rotazioni. Pertanto i due movimenti non sono sincronizzati; però, si influenzano a vicenda, come dimostrato da esperimenti effettuati su molecole simili a NanoGear ma prive del rotore o dell'anello.

Un altro risultato significativo e inaspettato è l'effetto del mezzo in cui è dispersa la molecola:cambiando il solvente, uno dei due movimenti viene rallentato, mentre l'altro è accelerato. Tale 'lubrificazione specifica' non trova corrispondenza nel mondo macroscopico, e costituisce una delle proprietà non convenzionali dei nanodispositivi che potrebbero portare a innovazioni tecnologiche radicali.

Il progetto

macchine molecolari artificiali, insignito del Premio Nobel per la Chimica nel 2016, convertire l'energia da una fonte in movimenti controllati su nanoscala e sono uno dei risultati più sorprendenti della nanotecnologia. Per sfruttare questi movimenti, però, elementi passivi in ​​grado di elaborarli e trasmetterli ad altri componenti, come accade nei dispositivi macroscopici, sono necessari. In questa ricerca, i chimici operano allo stesso modo degli ingegneri e degli architetti, ma manipolando oggetti un miliardo di volte più piccoli, poiché i loro elementi costitutivi sono atomi e molecole.

NanoGear è il risultato di un progetto nato circa cinque anni fa e fa parte di un'attività di ricerca in cui il Center for Light Activated Nanostructures (Clan), un laboratorio congiunto dell'Università di Bologna e del Consiglio Nazionale delle Ricerche, è un punto di riferimento internazionale.

NanoGear è stato creato con il supporto di un Advanced Grant dell'European Research Council (ERC), la borsa di studio più prestigiosa e competitiva per la ricerca scientifica in Europa. Nel passato, lo stesso laboratorio aveva già attirato l'attenzione del pubblico sviluppando pompe a base molecolare ( Nanotecnologia della natura , 2015) e spugne ( Chimica della natura , 2015) alimentato dalla luce. Il ruolo centrale della ricerca svolta a Bologna sul tema delle macchine molecolari è stato riconosciuto durante l'evento "MolecularMachinesDays", tenutosi a Bologna nel novembre 2018 con la partecipazione dei tre Premi Nobel 2016 per la Chimica.

I risultati

La realizzazione di dispositivi artificiali costituiti da molecole è di grande interesse per lo sviluppo delle nanotecnologie. "Come dimostrano i risultati ottenuti negli ultimi anni nei laboratori di tutto il mondo, la nanotecnologia può fornirci materiali più leggeri e resistenti, computer e robot più piccoli e potenti, sistemi migliori per trasformare e immagazzinare energia, nuovi metodi per la diagnostica medica e le terapie, " dice Alberto Credi. "NanoGear è un piccolo ma significativo passo in questa direzione. Sebbene sia attualmente difficile identificare un uso specifico di NanoGear, la ricerca di base che ha portato al suo sviluppo ha un potenziale rivoluzionario per la scienza e la tecnologia che va ben oltre le applicazioni pratiche a breve termine."