Rappresentazione artistica di una nanomacchina che combina subunità motore (rosso e blu) e frizione (verde e viola) collegate da subunità di trasmissione (catene polimeriche rappresentate come stringhe). Questi due tipi di subunità ruotano in direzioni opposte quando sono esposti a due distinte sorgenti luminose. Quando i motori girano (attivati dalla luce UV), intrecciano le coppie di catene polimeriche, e i contratti materiali. Quando le subunità della frizione girano (sotto l'effetto della luce bianca), sciolgono le catene polimeriche, e il materiale si estende. Variando l'intensità della luce, è possibile modulare la frequenza relativa dell'intreccio e della scucitura, e per gestire così la trasmissione complessiva del movimento, simile al cambio di un veicolo. La subunità motoria è rappresentata in dettaglio in basso a destra, e la subunità modulatore in alto a sinistra. Credito:Gad Fuks/Nicolas Giuseppone/Mathieu Lejeune/Woverwolf/Shutterstock.com
Premiato con un premio Nobel per la chimica nel 2016, le nanomacchine forniscono lavoro meccanico su scala più piccola. Eppure di dimensioni così ridotte, i motori molecolari possono completare questo lavoro in una sola direzione. Ricercatori dell'Institut Charles Sadron del CNRS, guidato da Nicolas Giuseppone, professore all'Università di Strasburgo, lavorando in collaborazione con il Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), sono riusciti a sviluppare macchine molecolari più complesse che possono lavorare in una direzione e nella sua opposta. Il sistema può anche essere controllato con precisione, allo stesso modo di un cambio. Lo studio è stato pubblicato su Nanotecnologia della natura il 20 marzo 2017.
I motori molecolari possono produrre movimenti meccanici ciclici utilizzando una fonte di energia esterna, come una fonte chimica o luminosa, combinato con il moto browniano (movimento disorganizzato e casuale delle molecole circostanti). Però, i nanomotori sono esposti a collisioni molecolari su tutti i lati, che complica la produzione di lavoro meccanico diretto e quindi utile. I primi motori molecolari degli anni 2000 utilizzavano il principio del "cricchetto browniano, " che come una tacca su una ruota dentata che impedisce a un meccanismo di tornare indietro, polarizza il movimento browniano in modo che il motore funzioni in una sola direzione. Ciò consente di fornire lavoro utilizzabile, ma non consente un cambio di direzione.
Il team di ricerca ha quindi cercato di trovare una soluzione per invertire questo movimento, cosa che hanno fatto collegando motori a modulatori molecolari (subunità frizione) utilizzando catene polimeriche (subunità di trasmissione). È stato inoltre stabilito un modello matematico per comprendere il comportamento di questa rete.
Quando esposto all'irradiazione ultravioletta, i motori girano mentre i modulatori rimangono immobili. Le catene polimeriche si avvolgono così su se stesse, e si contrae come un elastico che si accorcia quando si attorciglia. Il fenomeno può essere osservato su scala macroscopica, poiché le molecole formano un materiale che si contrae.
Quando le molecole sono esposte alla luce visibile, i motori si fermano e vengono attivati i modulatori. L'energia meccanica immagazzinata nelle catene polimeriche fa quindi ruotare i modulatori nella direzione opposta al movimento originale, e il materiale si estende.
Ancora più spettacolare, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la velocità e la velocità del lavoro prodotto possono essere regolate con cura attraverso una combinazione di UV e luce visibile, come un riduttore funzionante tramite modulazioni di frequenza tra motori e modulatori. Il team sta ora tentando di utilizzare questo studio per sviluppare dispositivi fotomeccanici in grado di fornire un lavoro meccanico controllato dalla luce.
