Un metodo di misurazione innovativo è stato utilizzato presso l'Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia per stimare la potenza generata da motori di una singola molecola di dimensione, comprendendo solo poche decine di atomi. I risultati dello studio sono di importanza cruciale per la costruzione di future macchine nanometriche e non instillano ottimismo.

Le nanomacchine sono dispositivi del futuro. Composto da un numero molto ridotto di atomi, sarebbero nell'ordine della miliardesima parte di un metro di dimensione. La costruzione di nanomacchine efficienti porterebbe molto probabilmente a un'altra rivoluzione della civiltà. Ecco perché i ricercatori di tutto il mondo esaminano varie molecole cercando di metterle al lavoro meccanicamente.

I ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia sono stati tra i primi ad aver misurato l'efficienza di macchine molecolari composte da poche decine di atomi. "Tutto fa pensare che la potenza di motori composti da singoli, molecole relativamente piccole è notevolmente inferiore al previsto", afferma il dottor Andrzej ?ywoci?ski dell'IPC PAS, uno dei coautori dell'articolo pubblicato su Nanoscala rivista.

I motori molecolari studiati all'IPC PAS sono molecole di cristalli liquidi smettici di tipo C*, composto da poche decine di atomi (ogni molecola è lunga 2,8 nanometri). Dopo essersi depositati sulla superficie dell'acqua, le molecole, in condizioni adeguate, formano spontaneamente lo strato più sottile possibile – uno strato monomolecolare di struttura e proprietà specifiche. Ogni molecola di cristallo liquido è composta da una catena con il suo terminale idrofilo ancorato alla superficie dell'acqua. Un relativamente lungo, parte idrofoba inclinata sporge dalla superficie. Così, strato monomolecolare assomiglia a una foresta con alberi che crescono ad una certa angolazione. Il terminale libero di ogni catena comprende due gruppi di atomi disposti trasversalmente con dimensioni diverse, formando un'elica bipala con pale di diversa lunghezza. Quando le molecole d'acqua in evaporazione colpiscono le "eliche", l'intera catena inizia a ruotare attorno alla sua "ancora" per asimmetria.

Le proprietà specifiche dei cristalli liquidi e le condizioni dell'esperimento danno luogo a un movimento in fase di molecole adiacenti nel monostrato. Si stima che "tratti di foresta" fino a un trilione (10^12) di molecole, formando aree di dimensioni millimetriche sulla superficie dell'acqua, sono in grado di sincronizzare le loro rotazioni. "Inoltre, le molecole che abbiamo studiato ruotavano molto lentamente. Una rotazione può durare da pochi secondi a pochi minuti. Questa è una proprietà molto desiderata. Le molecole ruoterebbero con, ad esempio, frequenze megahertz, la loro energia potrebbe difficilmente essere trasferita su oggetti più grandi", spiega il dottor ?ywoci?ski.

Le prime stime di potenza per i nanomotori molecolari erano correlate a molecole molto più grandi, o a motori alimentati da reazioni chimiche. Inoltre, queste stime non tenevano conto della resistenza del mezzo in cui lavoravano le molecole.

Gratuito, le rotazioni collettive di molecole di cristalli liquidi sulla superficie dell'acqua possono essere facilmente osservate e misurate. I ricercatori dell'IPC PAS hanno verificato come cambia la velocità di rotazione in funzione della temperatura; hanno stimato anche le variazioni della viscosità (rotazionale) nel sistema in esame. Si è scoperto che l'energia del movimento di una singola molecola generata durante una rotazione è molto bassa:solo 3,5·10^-28 joule. Questo valore è fino a dieci milioni di volte inferiore all'energia del movimento termico.

"Le nostre misurazioni sono un secchio di acqua fredda per i progettisti di nanomacchine molecolari", rileva il prof. Robert Ho?yst (IPC PAS).

Nonostante la generazione di bassa potenza, le molecole di cristalli liquidi rotanti possono trovare applicazioni pratiche. Ciò è dovuto al fatto che un grande insieme di molecole che ruotano collettivamente genera una potenza corrispondentemente più elevata. Inoltre, un singolo centimetro quadrato della superficie dell'acqua può ospitare molti di questi insiemi con trilioni di molecole ciascuno.

La stessa ricerca presso l'IPC PAS includeva anche un confronto della potenza generata dalla rotazione di molecole di cristalli liquidi con la potenza di un singolo motore biologico, una molecola molto grande nota come adenosinetrifosfatasi (ATPasi). L'enzima svolge un ruolo di pompa sodio-potassio nelle cellule animali. Con opportuni calcoli si è stimato che la densità di energia generata in un'unità di volume fosse di circa 100, 000 volte superiore per l'ATPasi rispetto ai cristalli liquidi rotanti.

"Ci sono voluti milioni di anni perché l'evoluzione sviluppasse una pompa molecolare così efficiente. Noi, umani, hanno lavorato con macchine molecolari solo da un paio o forse da una dozzina di anni", commenta il prof. Ho?yst e aggiunge:"Dateci solo un po' di tempo".