Un gruppo di fisici ha recentemente costruito il motore più piccolo mai creato da un solo atomo. Come qualsiasi altro motore, converte l'energia termica in movimento, ma lo fa su una scala più piccola di quanto visto prima. L'atomo è intrappolato in un cono di energia elettromagnetica e i laser vengono utilizzati per riscaldarlo e raffreddarlo, che fa muovere l'atomo avanti e indietro nel cono come un pistone di un motore.

Gli scienziati dell'Università di Mainz in Germania che sono dietro l'invenzione non hanno in mente un uso particolare per il motore. Ma è una buona illustrazione di come siamo sempre più in grado di replicare le macchine di tutti i giorni su cui facciamo affidamento su piccola scala. Questo sta aprendo la strada ad alcune eccitanti possibilità in futuro, in particolare nell'uso dei nanorobot in medicina, che potrebbero essere inviati nel corpo per rilasciare farmaci mirati o persino combattere malattie come il cancro.

La nanotecnologia si occupa di oggetti ultra-piccoli equivalenti a un miliardesimo di metro di dimensione, che suona una scala incredibilmente piccola su cui costruire macchine. Ma la dimensione è relativa a quanto sei vicino a un oggetto. Non possiamo vedere cose su scala nanometrica ad occhio nudo, proprio come non possiamo vedere i pianeti esterni del sistema solare. Eppure, se ingrandiamo – con un telescopio per i pianeti o un potente microscopio elettronico per i nano-oggetti – allora cambiamo il quadro di riferimento e le cose sembrano molto diverse.

Però, anche dopo aver guardato più da vicino, non possiamo ancora costruire macchine su scala nanometrica utilizzando strumenti di ingegneria convenzionali. Mentre le macchine normali, come i motori a combustione interna nella maggior parte delle auto, operare secondo le regole della fisica stabilite da Isaac Newton, le cose su scala nanometrica seguono le leggi più complesse della meccanica quantistica. Quindi abbiamo bisogno di diversi strumenti che tengano conto del mondo quantistico per manipolare atomi e molecole in un modo che li usi come mattoni per le nanomacchine. Ecco altre quattro piccole macchine che potrebbero avere un grande impatto.

Motore al grafene per nanorobot

I ricercatori di Singapore hanno recentemente dimostrato un motore semplice ma di dimensioni nanometriche realizzato con un pezzo di grafene altamente elastico. Il grafene è un foglio bidimensionale di atomi di carbonio che ha un'eccezionale resistenza meccanica. Inserendo alcune molecole di cloro e fluoro nel reticolo di grafene e sparando un laser su di esso, il foglio si espande. Accendendo e spegnendo rapidamente il laser, il grafene pompa avanti e indietro come il pistone di un motore a combustione interna.

I ricercatori pensano che il nano-motore al grafene potrebbe essere utilizzato per alimentare piccoli robot, ad esempio per attaccare le cellule tumorali nel corpo. Oppure potrebbe essere utilizzato in un cosiddetto "lab-on-a-chip" - un dispositivo che riduce le funzioni di un laboratorio di chimica in un minuscolo pacchetto che può essere utilizzato per esami del sangue rapidi, tra l'altro.

Nano-rotore senza attrito

I rotori che producono movimento in macchine come motori e ventilatori di aerei di solito soffrono tutti di attrito, che ne limita le prestazioni. La nanotecnologia può essere utilizzata per creare un motore da una singola molecola, che può ruotare senza alcun attrito. I rotori normali interagiscono con l'aria secondo le leggi di Newton mentre ruotano e quindi sperimentano l'attrito. Ma, su scala nanometrica, i rotori molecolari seguono la legge quantistica, il che significa che non interagiscono con l'aria allo stesso modo e quindi l'attrito non influisce sulle loro prestazioni.

In realtà la natura ci ha già mostrato che i motori molecolari sono possibili. Alcune proteine ​​possono viaggiare lungo una superficie utilizzando un meccanismo rotante che crea movimento dall'energia chimica. Queste proteine ​​motorie sono ciò che causa la contrazione delle cellule e quindi sono responsabili dei nostri movimenti muscolari.

I ricercatori tedeschi hanno recentemente riferito di aver creato un rotore molecolare posizionando molecole in movimento all'interno di un minuscolo foro esagonale noto come nanoporo in un sottile pezzo d'argento. La posizione e il movimento delle molecole hanno fatto sì che iniziassero a ruotare attorno al foro come un rotore. Ancora, questa forma di nano-motore potrebbe essere utilizzata per alimentare un minuscolo robot attorno al corpo.

Nano-razzi controllabili

Un razzo è il veicolo artificiale più veloce che può viaggiare liberamente attraverso l'universo. Diversi gruppi di ricercatori hanno recentemente costruito un sistema ad alta velocità, versione su scala nanometrica telecomandata di un razzo combinando nanoparticelle con molecole biologiche.

In un caso, il corpo del razzo era costituito da una perla di polistirolo ricoperta di oro e cromo. Questo è stato attaccato a più molecole del "motore catalitico" usando filamenti di DNA. Quando posto in una soluzione di perossido di idrogeno, le molecole del motore hanno provocato una reazione chimica che ha prodotto bolle di ossigeno, costringendo il razzo a muoversi nella direzione opposta. Far brillare un raggio di luce ultravioletta su un lato del razzo provoca la rottura del DNA, staccando i motori e cambiando la direzione di marcia del razzo. I ricercatori sperano di sviluppare il razzo in modo che possa essere utilizzato in qualsiasi ambiente, ad esempio per somministrare farmaci in un'area bersaglio del corpo.

Nano-veicoli magnetici per il trasporto di farmaci

Il mio gruppo di ricerca è tra quelli che lavorano su un modo più semplice per trasportare i farmaci attraverso il corpo che è già stato esplorato con le nanoparticelle magnetiche. I farmaci vengono iniettati in una struttura a guscio magnetico che può espandersi in presenza di calore o luce. Ciò significa che, una volta inserito nel corpo, possono essere guidati nell'area bersaglio utilizzando magneti e quindi attivati ​​per espandere e rilasciare il loro farmaco.

La tecnologia è allo studio anche per l'imaging medico. La creazione di nanoparticelle da raccogliere in determinati tessuti e quindi la scansione del corpo con una risonanza magnetica (MRI) potrebbe aiutare a evidenziare problemi come il diabete.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.