A prima vista, i motori molecolari di Rabih O. Al-Kaysi sembrano i vermi microscopici che vedresti in una goccia d'acqua di stagno. Ma questi nastri che si dimenano non sono vivi; sono dispositivi costituiti da molecole cristallizzate che eseguono movimenti coordinati quando esposti alla luce. Con il continuo sviluppo, affermano Al-Kaysi e colleghi, le loro minuscole macchine potrebbero essere utilizzate dai medici come robot per la somministrazione di farmaci o progettate in sistemi che dirigano il flusso dell'acqua attorno ai sottomarini.
I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi alla riunione primaverile dell'American Chemical Society (ACS).
Il team ha costruito il suo primo motore a cristalli molecolari nel 2021 con molecole che consentivano la fotoisomerizzazione:in poche parole, le singole molecole nel motore fanno oscillare uno dei loro gruppi chimici avanti e indietro quando esposte alla luce, e il loro movimento collettivo si traduce in un movimento visibile del motore stesso.
"Il nostro primo motore era un microfilo che si piegava e tremolava quando lo esponevo a una combinazione di raggi UV e luce visibile", afferma Al-Kaysi. "Sembrava una ballerina di nastri. Sembrava viva."
Le molecole del primo motore del team necessitavano di diverse lunghezze d'onda della luce (UV e visibile) per guidare la fotoisomerizzazione. Tuttavia, Al-Kaysi e il collega Christopher Bardeen volevano creare motori a cristalli molecolari che necessitassero solo di una singola lunghezza d'onda della luce per funzionare. Quindi, hanno sintetizzato una libreria di molecole di antracene che assorbono la luce e sono in grado di muoversi avanti e indietro ininterrottamente, ovvero di fotoisomerizzazione continua, con un'unica fonte di luce.
I ricercatori stanno caratterizzando le molecole a base di antracene e utilizzandole come elementi costitutivi per creare più motori di cristalli molecolari. Il loro serraglio attivato dalla luce ora include lunghe corde simili a serpenti e un ragno molto peloso che può piegarsi, saltare, torcersi e ballare.
Al-Kaysi, chimico organico presso l'Università King Saud bin Abdulaziz per le scienze della salute e il King Abdullah International Medical Research Center, ha lavorato con Bardeen, professore di chimica presso l'Università della California, Riverside, per più di due decenni sui cristalli fotomeccanici.
Questi cristalli "intelligenti" convertono l'energia che assorbono dalla luce in lavoro meccanico e sono generalmente caratterizzati come reversibili termicamente o fotochimicamente. In altre parole, il movimento iniziale dei cristalli in risposta allo stimolo luminoso viene invertito rispettivamente con un secondo stimolo di calore o luce. Tuttavia, un terzo sottoinsieme di questi cristalli intelligenti sta ricevendo maggiore attenzione da chimici come Al-Kaysi e Bardeen a causa della loro capacità di sostenere un movimento oscillatorio continuo quando esposto a un'unica fonte di luce.
Le molecole fotoreattive nella biblioteca di Al-Kaysi sono il punto di partenza per realizzare motori a cristalli molecolari. Ciascuna delle molecole contiene tre segmenti:un segmento di antracene, un doppio legame di carbonio e un "gruppo di testa" personalizzabile sull'altro lato del legame di carbonio. L'antracene assorbe la luce e trasmette l'energia al doppio legame del carbonio, che funge da asse della molecola. Quindi il gruppo principale determina la struttura, la forma e il comportamento dell'impacchettamento dei cristalli della molecola.
Una volta sintetizzate, le molecole di antracene vengono iniettate in una soluzione saponosa dove si uniscono in un processo chiamato ingegneria dei cristalli. Questi grumi cristallizzati vengono usati come "semi" e vengono posti in un'altra soluzione saponosa con più molecole di antracene dove si autoassemblano in forme più grandi, tipicamente bacchette e fili.
Alcune di queste strutture si autoassemblano in forme ancora più complesse visibili ad occhio nudo. Sebbene l'autoassemblaggio del motore sia per lo più casuale, i ricercatori stanno cercando modi per guidarlo variando la temperatura e la saponosità del liquido e mescolando il liquido a velocità diverse.
Quando illuminati nella loro soluzione saponata, i motori mostrano movimenti 3D complessi e continui. I ricercatori possono regolare il movimento di un motore regolando l'intensità della luce e la lunghezza d'onda. A livello molecolare, il movimento è guidato dalla fotoisomerizzazione attorno al doppio legame del carbonio, sanno i ricercatori. Tuttavia, stanno ancora studiando come le molecole coordinano questo comportamento sull'intero motore del cristallo molecolare.
Nelle dimostrazioni, i ricercatori hanno scoperto che i motori sono straordinariamente durevoli e non mostrano segni di affaticamento dopo ore di esposizione alla luce. E poiché sono a base di cristalli, hanno un'innata resistenza alla corrosione e alle interferenze elettromagnetiche e offrono un rapporto peso/potenza "eccezionale". Secondo i ricercatori, queste qualità rendono i motori a cristalli molecolari particolarmente adatti per applicazioni biomediche, micromacchine e microsatelliti.
Al-Kaysi e Bardeen affermano che con l'aiuto del "tocco di un ingegnere", le loro scoperte scientifiche di base hanno il potenziale per risolvere problemi del mondo reale, come macchine molecolari attivate dalla luce per la somministrazione di farmaci e sistemi che dirigono il flusso d'acqua attorno a un scafo della nave.
Fornito dall'American Chemical Society
