La nanotecnologia sta muovendo i primi passi. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda hanno sviluppato un nanocilindro d'oro dotato di filamenti di DNA discreti come "piedi" che possono camminare su una piattaforma di origami di DNA. Sono in grado di tracciare i movimenti del nanowalker, che è inferiore al limite di risoluzione ottica, eccitando plasmoni nel nanocilindro d'oro. I plasmoni sono oscillazioni collettive di numerosi elettroni. L'eccitazione cambia il raggio di luce, consentendo così ai ricercatori di osservare effettivamente il nanowalker. Il loro obiettivo principale è utilizzare questi nanooggetti plasmonici mobili per studiare come le particelle minuscole interagiscono con la luce.

Le nanomacchine – ovvero dispositivi meccanici con dimensioni di nanometri – potrebbero un giorno svolgere compiti specifici in campi come la medicina, elaborazione delle informazioni, chimica o ricerca scientifica, secondo gli esperti di nanotecnologia. Eppure le macchine in miniatura che sono migliaia di volte più piccole del diametro di un capello umano pongono sfide significative agli scienziati:in primo luogo, i singoli costituenti consistono semplicemente di un piccolo numero di atomi; è a malapena possibile maneggiare tali componenti, figuriamoci assemblarli in maniera precisa. Inoltre, le macchine dovrebbero quindi essere alimentate con energia. E alla fine, i ricercatori non possono semplicemente verificare se il loro dispositivo funziona effettivamente. Le tecniche di microscopia necessarie per tale osservazione sono complesse e richiedono ad esempio camere a vuoto, in cui i dispositivi sarebbero stati distrutti. Al Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, un team di ricercatori tra cui Chao Zhou e Xiaoyang Duan, guidato da Laura Na Liu ha ora creato un nanowalker che possono osservare con l'aiuto di un effetto nano-ottico.

Il corpo del nanowalker è costituito da un cilindro d'oro lungo 35 nanometri e largo dieci nanometri. "La superficie del cilindro è preparata con numerosi filamenti identici di DNA che fungono efficacemente da piedi, "Il capogruppo Liu spiega. Questi filamenti di DNA sporgono dal cilindro d'oro come le setole di uno scovolino per bottiglie. "Permettono al cilindro d'oro di entrare in contatto con la superficie sottostante e di attraversarlo".

Il nanowalker cammina su un tappeto di filamenti di DNA

Anche la passerella del cilindro d'oro è composta da DNA:un modello di origami di DNA, per essere precisi. Da questa impalcatura di DNA piegata, come le fibre di un tappeto, si estendono file longitudinali di brevi fili paralleli al cilindro e che fungono da punti di appoggio per i piedini del deambulatore. Ogni riga del tappeto DNA comprende una diversa combinazione di basi, e ogni riga rappresenta una stazione. Inizialmente, i piedi del viandante si legano con due file vicine, mentre gli appigli delle altre file rimangono bloccati.

"Il deambulatore avanza con un movimento rotatorio, di stazione in stazione, " dice Liu. Per rendere questo possibile, i ricercatori devono costantemente aggiungere brevi frammenti di DNA al fluido in cui si svolge l'azione. Questi frammenti sono progettati per abbinare il DNA delle singole righe. Per prima cosa rompono una fila di connessioni che collegano i piedi del deambulatore e il DNA della piattaforma e bloccano i punti d'appoggio di quella particolare stazione. Sul lato opposto del deambulatore, quindi sbloccano una riga separata, a cui ora possono essere fissati i piedi del cilindro.

"A seconda di cosa si aggiunge, il deambulatore si muove in una direzione o nell'altra, " spiega Liu. "Ci ispiriamo ai motori molecolari naturali:il fluido muove il cilindro e i suoi piedi avanti e indietro per mezzo del movimento termico". il deambulatore avanza lentamente. Ogni passo è lungo sette nanometri, che è oltre centomila volte più piccolo del singolo passo di una formica dei boschi.

I ricercatori usano la risonanza plasmonica per tracciare il percorso del nanocilindro

Per tracciare il percorso della minuscola macchina, i ricercatori si sono basati su un effetto nano-ottico chiamato risonanza plasmonica. I plasmoni sono oscillazioni collettive di numerosi elettroni e sono spesso presenti nei metalli, tra gli altri materiali. "La luce può interagire con i plasmoni nell'oro, " Spiega Liu. "La luce è parzialmente assorbita nel processo nel nostro caso, risultante in quella che è nota come risonanza plasmonica." Analizzando il raggio di luce, i ricercatori possono misurare questo fenomeno.

Determinazione della posizione esatta del cilindro, però, richiesto il posizionamento di un secondo, nanocilindro d'oro stazionario sul lato inferiore della piattaforma origami del DNA. Ampiamente parlando, questo secondo cilindro funge da punto di riferimento. La ragione di questo è perché insieme, i due cilindri determinano una variazione della polarizzazione circolare del fascio luminoso:La luce è costituita da un campo elettromagnetico oscillante. La polarizzazione è equivalente alla direzione in cui oscilla il campo; in luce polarizzata circolarmente, gira in senso orario o antiorario. Osservando i cambiamenti spettrali derivanti dall'interazione con la luce polarizzata circolare, i ricercatori possono determinare la posizione attuale del deambulatore.

"Utilizzando questo approccio siamo stati in grado di tracciare ogni singolo passaggio. Ecco perché il deambulatore è più di un semplice elemento mobile:fornisce anche informazioni sulla sua posizione, " dice Liu. La sofisticata tecnologia del microscopio è diventata così superflua per l'osservazione del camminatore plasmonico, che Liu considera precursore di una "nuova generazione di nanomacchine con proprietà ottiche personalizzate". Il ricercatore ora mira a utilizzare questo strumento per studiare ulteriormente l'interazione tra luce e materia su scala nanometrica, così come il comportamento meccanico delle nanoparticelle. Perché se il camminatore d'oro è davvero destinato a raggiungere un giorno il suo obiettivo e completare vari compiti, deve ancora fare parecchi passi avanti, e non solo sull'origami del DNA.