Le molecole sono così piccole che non possiamo nemmeno vederle con i normali microscopi. Ciò rende difficile lo studio delle molecole o delle reazioni chimiche:i ricercatori si limitano a osservazioni indirette oa modelli informatici. Un team di ricercatori dell'Università di Amsterdam e della New York University ha ora trovato un modo per costruire molecole modello di dimensioni micrometriche utilizzando "particelle a chiazze". Ciò consente uno studio molto più diretto della dinamica molecolare. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura questa settimana.

Quando impariamo chimica al liceo, utilizziamo kit di modellistica molecolare in cui gli atomi sono rappresentati da palline di legno o di plastica che si possono collegare per formare molecole. Questi kit di modellazione ci aiutano a visualizzare la struttura spaziale delle molecole e immaginare come reagiscono, ma ovviamente non avvengono vere reazioni chimiche tra le palline di legno o di plastica. Ora si scopre che per palline molto piccole questa situazione cambia drasticamente.

Un nuovo kit da modellismo

Mentre i kit di modellistica molecolare possono essere molto utili, la maggior parte delle nostre attuali conoscenze sulle molecole nasce in modo molto più indiretto. Viene, fra gli altri, dalle misurazioni dello spettro di radiazione che le molecole assorbono. Ad esempio, uno spettro infrarosso fornisce agli scienziati un'impronta digitale delle vibrazioni molecolari da cui possono dedurre la composizione e la struttura molecolare. Una visione diretta delle molecole consentirebbe una visione immediata della loro disposizione, vibrazioni e reazioni molecolari. Però, tali immagini dirette sono precluse dalle piccole dimensioni e dal rapido movimento delle molecole. Il fatto che tutte le osservazioni delle molecole siano indirette, sfida la nostra immaginazione delle strutture e delle reazioni molecolari tridimensionali.

Questo problema ha portato fisici e chimici dell'Università di Amsterdam e della New York University a trovare un modo per combinare la facile visualizzazione dei comuni kit di modellazione molecolare con la fisica reale che si svolge su scala sub-nanometrica delle molecole reali. Nei laboratori di Amsterdam, gli scienziati sono riusciti a costruire "molecole" da piccole sfere di plastica di dimensioni micrometriche, le cosiddette particelle colloidali, che sono stati prodotti nei laboratori di New York. Le particelle sono state fatte in modo tale da attrarsi l'una con l'altra solo in determinate direzioni, modellando in modo molto preciso gli angoli specifici tra i legami chimici tra gli atomi, che determinano il modo in cui gli atomi si organizzano in molecole.

Queste particelle di dimensioni micrometriche in effetti combinano il meglio di entrambi i mondi:sono abbastanza piccole da esibire il caratteristico movimento e le vibrazioni che le molecole sperimentano a causa della temperatura, ma sono abbastanza grandi per essere osservati e seguiti usando un normale microscopio.

Atomi dentro, molecole fuori

Per imitare tipi specifici di atomi, i ricercatori di Amsterdam hanno utilizzato tecniche sviluppate negli ultimi anni per dotare le particelle colloidali di zone attraenti in cui gli atomi del modello potevano "fare clic" insieme. Il numero e la configurazione di queste patch determina il tipo di atomo che viene modellato, ad esempio, imitare gli atomi di carbonio, i ricercatori hanno realizzato particelle con quattro patch in una geometria tetraedrica, o particelle con due macchie sui lati opposti, riproducendo gli angoli di legame di due noti stati di legame degli atomi di carbonio. Inoltre, ed è qui che il nuovo kit va ben oltre i comuni modelli molecolari, sono riusciti a mettere a punto le interazioni tra i cerotti in modo che gli atomi del modello fossero in grado di formare legami e dividersi di nuovo esattamente nello stesso modo in cui lo fanno gli atomi. nelle reazioni chimiche reali.

Il kit di modellismo si è rivelato funzionare in modo eccellente. Quando diversi atomi modello sono stati messi insieme, i ricercatori hanno osservato che le particelle effettivamente formavano le "molecole" ben note dalla chimica del carbonio. Al microscopio, erano visibili analoghi di molecole come butino e butano, molecole i cui atomi principali sono disposti lungo una linea. Molecole con configurazioni ad anello, che svolgono un ruolo importante nella chimica organica, potrebbe anche essere modellato:si potrebbero osservare strutture come il ciclopentano (una molecola con un anello di cinque atomi di carbonio) e il cicloesano (con un anello di sei di questi atomi).

Arrugginimento e catalisi

A causa delle maggiori dimensioni delle molecole modello, i ricercatori hanno potuto seguire la loro formazione e il movimento interno in tempo reale e con grande dettaglio. Ciò ha permesso loro di vedere direttamente fenomeni che erano noti per verificarsi solo da osservazioni indirette. Per esempio, per la struttura ad anello a cinque atomi del ciclopentano, osservarono direttamente il caratteristico moto "increspatura" degli atomi costituenti:l'anello ciclopentano non è fissato in un unico piano, ma si deforma in modo che gli atomi costituenti si muovano dentro e fuori da quel piano. La ragione di questo comportamento è che gli angoli naturali tra gli atomi non corrispondono esattamente agli angoli necessari per creare un anello piatto di cinque atomi, e come risultato un atomo deve sempre essere raggrinzito fuori dal piano. Finora, il movimento di raggrinzimento risultante era stato osservato solo mediante misurazioni spettroscopiche indirette, ma ora i ricercatori sono stati in grado di vederlo accadere davanti ai loro occhi, seguendo il moto direttamente nello spazio e nel tempo reali. Hanno scoperto che i capovolgimenti avvenivano collettivamente:il movimento su e giù di una particella influenzava quello di tutte le altre particelle nell'anello.

Utilizzando la stessa molecola, i ricercatori hanno quindi potuto osservare come si sono verificate le reazioni chimiche. È stato osservato che l'anello si apre e si attacca ad altre molecole, un effetto che potrebbe essere rafforzato aggiungendo una superficie attraente alla configurazione. Questo è, la superficie ha agito da catalizzatore, fornendo informazioni, letteralmente, su ciò che accade durante tali reazioni catalitiche.

Abbastanza piccolo ma abbastanza grande

Certo, la dimensione micrometrica degli atomi modello è ancora un fattore di circa 1000 più grande della dimensione sub-nanometrica degli atomi reali, ma il punto è che sono abbastanza piccoli da subire un movimento termico casuale, e questo è ciò che fa accadere le reazioni chimiche. Come ha affermato Richard Feynman nelle sue conferenze, "Tutto ciò che fanno gli esseri viventi può essere compreso in termini di oscillazioni e oscillazioni degli atomi"; e sono proprio questi sussulti e sussulti, chiaramente osservabile guardando gli atomi colloidali con un microscopio, che distinguono il kit di modellazione molecolare di dimensioni micrometriche dalla sua controparte che conosciamo dal liceo.

Così, il kit di modellismo è uno strumento molto utile per osservare direttamente le "molecole" nel loro habitat naturale, e dovrebbe avere molte applicazioni utili. Oltre a fornire un'attraente visualizzazione delle molecole, i risultati forniscono informazioni sull'azione dei catalizzatori geometrici sulle reazioni molecolari. Per di più, la disponibilità dei nuovi piccoli mattoncini apre le porte alla progettazione di nuovi materiali complessi, direttamente al microscopio, con una serie di applicazioni che vanno dal tessuto artificiale per es. scopi medici a nanostrutture funzionali che possono essere utilizzate nella tecnologia.