PERCHÉ LA CHIMICA È IMPORTANTE, UTILE E BELLA

 

Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Margherita Venturi

Dipartimento di Chimica "G. Ciamician", Facoltà di Scienze M.F.N., Università di Bologna

vincenzo.balzani@unibo.it

 

Introduzione

È difficile immaginare una qualsiasi manifestazione della nostra vita quotidiana in cui la chimica non sia in qualche modo coinvolta [1].  Tutto, infatti, attorno a noi ed in noi, è chimica: è attorno a noi nei fenomeni naturali indispensabili per la vita, come la fotosintesi, e nei prodotti artificiali di primaria importanza per la civiltà, come i farmaci, i fertilizzanti, le materie plastiche, i semiconduttori ed i detergenti; è in noi perché il funzionamento o il mal funzionamento del corpo umano è regolato da reazioni chimiche.  La vita è chimica in azione.  Senza fare del riduzionismo, si può dire che tutte le manifestazioni della vita, comprese quelle che chiamiamo categorie mentali (l'apprendimento, la memoria, il pensiero, l'esperienza e i sogni) sono, in ultima analisi, il risultato di reazioni chimiche, sia pure così complesse da non poter essere, almeno per ora, interpretate.

Per capire l'intima essenza dei fenomeni che avvengono attorno a noi ed in noi, occorre scendere a livello atomico e molecolare.  Ad esempio, per capire come realmente avviene il processo fotosintetico naturale bisogna scendere giù nel piccolo, come in una "zoomata", dall'albero (dimensioni dell'ordine del metro) alle foglie (10 cm x 0,3 mm), alle cellule (50 mm), ai cloroplasti (5 mm), ai grani (200 nm), fino ad arrivare a "congegni" costituiti da un certo numero di componenti molecolari assemblati in modo opportuno.  È infatti a questo livello, cioè a livello molecolare, che avviene l’assorbimento della luce da parte della materia con il quale ha inizio il processo fotosintetico.

 

Le molecole sono le più piccole entità della materia con composizione ben definita e forma propria.  Ad esempio, la molecola d'acqua, H2O, è costituita da due atomi di idrogeno (H) legati ad un atomo di ossigeno (O), ha geometria piegata e dimensioni inferiori al nanometro (1 nanometro = 10-9 metri). Oggetti di così piccole dimensioni sfuggono alla nostra quotidiana esperienza e alle comuni indagini sperimentali, tanto che è difficile non solo accettarne l'utilità, ma anche, addirittura, credere nella loro reale esistenza.  Goethe, ad esempio, diceva che la scienza deve essere a scala umana e si opponeva all'uso del microscopio affermando che ciò che non si può vedere a occhio nudo non deve essere cercato, perché evidentemente è nascosto all'occhio umano per qualche buona ragione.  Questa affermazione è contraria alla logica della scienza che, soprattutto negli ultimi anni, ha spinto le sue indagini sempre più verso il "piccolo", non solo per conoscere meglio la Natura, ma anche per sfruttare, da un punto di vista tecnologico, i vantaggi che ne possono derivare.

Anche se, prese singolarmente, non possono essere né viste, né pesate, né misurate, le molecole non hanno segreti per i chimici che da oltre cent'anni hanno imparato a caratterizzarle, a distinguerle, a conoscerle attraverso le loro proprietà collettive e ad usarle.  Oggi, poi, con i più recenti progressi della scienza, è possibile "vedere" (tramite immagini ottenute con dispositivi elettronici, Figura 1 [2]) e persino "toccare" (con punte ultrasottili) singole molecole, tanto da riuscire ad utilizzarle come mezzo per una "nanoscrittura" [3].

 

Figura 1. (A) Immagine ottenuta con la tecnica della microscopia a scansione variabile di molecole di esa-tert-butildecaciclene; (B) rielaborazione ottenuta al computer che meglio evidenzia la forma delle molecole. (Figura ripresa e modificata da Science, 1999, vol. 283, p. 1683).

 

Le molecole: le "parole" della Chimica

Per capire come è fatta la materia e cos'è la Chimica può essere molto utile fare un paragone fra chimica e linguaggio (Figura 2) [1].  Ogni linguaggio è basato su lettere, una ventina nella lingua italiana (a, b, c, ecc.), raccolte in un alfabeto.  Le lettere della chimica sono gli atomi (H, O, C, ecc., circa un centinaio), e l'alfabeto della chimica è la Tavola Periodica.  Le lettere dell'alfabeto si possono combinare in gruppi, secondo una logica inventata dall'uomo: si ottengono, così, le parole.  La stessa cosa accade per gli atomi: combinando gli atomi secondo regole imposte dalla natura (il legame chimico), si ottengono le molecole, che sono quindi le parole della chimica.  Come ci sono parole corte (cioè fatte di poche lettere) e parole lunghe, così ci sono molecole fatte di pochi atomi (come la molecola d'acqua, che ha due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, H2O) e molecole grandi (come l’acido oleico, C18H34O2, formato da 54 atomi, o come l’emoglobina, C2954H4516N780O806S12Fe4, che è addirittura formata da 9072 atomi).  Una prima conclusione, allora, è che il mondo è fatto di molecole, così come il linguaggio è fatto di parole.

 

Figura 2. Parallelismo fra il linguaggio e la chimica; da un numero discreto di semplici elementi (le lettere per il linguaggio, gli atomi per la chimica) nasce un'incredibile complessità.

 

Con una sola parola, però, non è possibile esprimere un concetto; nel linguaggio, infatti, le parole vengono combinate per comporre le frasi.  La stessa cosa avviene in chimica: una molecola non è sufficiente per compiere una funzione, mentre ciò è possibile quando le molecole si organizzano in sistemi chiamati supermolecole.  Andando avanti con questo parallelo, in modo molto grossolano e quasi per gioco, si può passare a sistemi più complessi, e quindi paragonare un paragrafo ad un enzima, un capitolo di un libro a un mitocondrio, un libro ad un protozoo, una collana di libri ad un animale poco evoluto ed infine, un'intera biblioteca ad un uomo.

Arrivati a questo punto ci si può chiedere se ci sono più lettere in una biblioteca o atomi in un uomo. La biblioteca di Parigi, che è forse la più grande del mondo, contiene circa 10 milioni di volumi, per un totale di circa 1013 lettere (cioè, diecimila miliardi di lettere).  Il numero di atomi contenuto nel corpo di un uomo è dell'ordine di 1028, che è un numero centomila miliardi di volte più grande del precedente.  È facile a questo punto capire che il paragone biblioteca-uomo è certamente irriverente per l'uomo anche sul piano puramente quantitativo, in quanto il numero di atomi contenuti nel corpo di un uomo è pari al numero di lettere che si trovano in un milione di miliardi di biblioteche.  Anche se quantitativamente irriverente il paragone biblioteca-uomo non è banale.  Infatti, come le lettere contenute nelle biblioteche non sono messe a caso, bensì ordinate in parole, frasi, paragrafi, capitoli, volumi e collane al fine di esprimere informazioni e concetti, così gli atomi del corpo umano sono ben ordinati in molecole, sistemi supramolecolari, enzimi, cellule e organi per compiere le funzioni necessarie alla vita.  Il paragone fra chimica e linguaggio, pur nei suoi limiti, ha quindi il pregio di farci capire: (a) che le molecole sono le parole della chimica; (b) che i corpi macroscopici sono costituiti da un numero incredibilmente grande di molecole; (c) che gli organismi viventi sono sistemi chimici dove un numero incredibilmente grande di molecole è disposto in modo altrettanto incredibilmente ordinato.

 

Il Chimico, ingegnere a livello nanometrico

Un problema sempre più stringente della tecnologia è quello della miniaturizzazione.  Basti pensare, a questo proposito, ai calcolatori dove la riduzione delle dimensioni dei componenti permette la costruzione di apparecchi sempre più piccoli e allo stesso tempo sempre più potenti.  Nella corsa verso la miniaturizzazione (Figura 3) finora si è seguito l'approccio "dall'alto" (top down) lavorando, con tecniche speciali, pezzi macroscopici di materiali.  Questo approccio "fisico" ha però limitazioni intrinseche e pratiche quando si vuole scendere a dimensioni minori del decimo di micrometro.  Un'alternativa decisamente più promettente per lo sviluppo della nanotecnologia (cioè della tecnologia a livello dei nanometri) è l'approccio "dal basso" (bottom up) che parte dalle molecole.  I chimici, per la natura stessa della loro disciplina, sono nella posizione ideale per sviluppare questo tipo di approccio. Ogni molecola ha proprietà intrinseche che possono essere viste come un corredo di "informazione" utilizzabile nell'interazione con altre molecole.  Infatti, quando le molecole si incontrano, ciascuna "legge" gli elementi di informazione contenuti nelle altre e, a seconda di tali elementi, può succedere che dopo l'incontro esse si separino inalterate, oppure che reagiscano con formazione di nuove specie, oppure, ancora, che si associno dando origine a sistemi detti supramolecolari.  L'associazione fra molecole avviene sfruttando il cosiddetto riconoscimento molecolare, basato su interazioni molto specifiche come, ad esempio, il legame a idrogeno.

 

Figura 3. I due diversi approcci alla miniaturizzazione.

 

Un fatto molto importante è che nel passaggio dalle molecole ai sistemi supramolecolari possono emergere nuove proprietà, spesso di grande pregio tecnologico; inoltre queste proprietà emergenti, derivando dall'integrazione delle caratteristiche e dal lavoro cooperativo delle singole molecole una volta che sono state organizzate nella struttura supramolecolare, possono essere programmate scegliendo in modo opportuno i "pezzi" da assemblare.

Queste considerazioni sono alla base di uno dei più ambiziosi progetti che i chimici stanno affrontando e che consiste nella costruzione di congegni, dispositivi e macchine a livello molecolare capaci di svolgere funzioni utili [4, 5].  Per capire cosa significa congegno o macchina a livello molecolare e la logica che i chimici intendono seguire per costruire questi dispositivi, può essere utile un paragone molto semplice.  Per ottenere un'apparecchiatura del mondo macroscopico (per esempio, un asciugacapelli), l'ingegnere costruisce dei componenti (un interruttore, un ventilatore, una resistenza), ciascuno dei quali è in grado di svolgere un'azione specifica, e poi li assembla in modo opportuno (ad esempio, nell'asciugacapelli la resistenza va messa davanti al ventilatore, e non dietro).  Collegando i componenti con fili metallici secondo uno schema appropriato, si ottiene un'apparecchiatura che, alimentata da energia elettrica, compie una funzione utile.  Il chimico può procedere allo stesso modo, ma non a livello macroscopico, bensì a livello molecolare.  Prima di tutto si tratta di costruire molecole capaci di svolgere compiti specifici (come fanno, nell'asciugacapelli, l'interruttore, la resistenza, il ventilatore) e poi di assemblarle in strutture supramolecolari organizzate, in modo che l'insieme coordinato delle loro azioni possa dar luogo ad una funzione utile. Si tratta di una vera e propria ingegneria a livello molecolare.

La ricerca in questo campo ha già permesso di ottenere tutta una serie di dispositivi a livello molecolare capaci di imitare le funzioni compiute dai componenti delle odierne apparecchiature macroscopiche: fili capaci di condurre elettroni o energia, interruttori capaci di permettere o proibire il passaggio di questi flussi, sistemi presa/spina e prolunga, rettificatori di corrente, antenne per la raccolta dell'energia luminosa, elementi di memoria, porte logiche, ecc. [5].  Per ragioni di spazio, ci limiteremo ad illustrare solo alcuni esempi di macchine molecolari artificiali.

 

Macchine molecolari

Le macchine molecolari, dette anche nanomacchine per le loro dimensioni nanometriche, sono strutture supramolecolari costituite da un numero definito di componenti molecolari, anche molto grande nel caso di sistemi biologici, opportunamente selezionati ed assemblati in modo da compiere movimenti meccanici sotto l'azione di stimoli esterni [5].

 

Per le macchine molecolari, come per quelle del mondo macroscopico, possono essere individuati alcuni aspetti caratteristici quali: 1) il tipo di energia usato per fare lavorare la macchina; 2) il tipo di movimento effettuato; 3) il modo con cui i movimenti possono essere controllati; 4) i segnali che evidenziano i movimenti stessi; 5) la necessità di operare in maniera ciclica e ripetitiva; 6) il tempo impiegato per completare un ciclo; 7) la funzione che può derivare dai movimenti compiuti.

 

Nelle macchine a livello molecolare i movimenti meccanici implicano spostamenti di elettroni e nuclei e ciò può essere ottenuto solo se almeno uno dei componenti molecolari della macchina è coinvolto in una reazione chimica.  Occorre quindi fornire, sotto una qualche forma, l'energia necessaria (punto 1) per far avvenire la reazione chimica alla base del movimento meccanico, che (punto 2) può essere di vario tipo (ad esempio, rotatorio o lineare), ed il cui controllo (punto 3) può essere effettuato con reazioni chimiche antagoniste.  I segnali in grado di evidenziare il funzionamento della macchina (punto 4) provengono da cambiamenti di proprietà del sistema (ad esempio, variazioni di colore) che si verificano durante i movimenti, i quali, per permettere alla macchina di lavorare in modo ciclico (punto 5), devono coinvolgere reazioni reversibili; inoltre, la scala temporale in cui si completa un ciclo (punto 6) può andare dai microsecondi (1 ms  = 10-6 s) alle ore, a seconda della natura chimica del sistema.  Per quanto riguarda, infine, le funzioni ottenibili dal lavoro della macchina (punto 7), esse possono essere le più varie, come avremo modo di vedere in seguito.

 

Nanomacchine naturali

La capacità delle molecole ad associarsi ha permesso di formare in Natura sistemi supramolecolari molto complessi (gli enzimi) capaci di compiere le funzioni necessarie alla vita [6].  Alcuni di questi sistemi operano mediante movimenti meccanici rotatori o lineari, tanto da poter essere considerati dei veri e propri motori o macchine di dimensioni nanometriche.  Anche se l'esistenza delle nanomacchine naturali è nota da molto tempo, solo di recente si è cominciato ad analizzare e capire l'intimo e complesso meccanismo del loro funzionamento.

 

Figura 4. (a) Illustrazione schematica della "macchina rotante" naturale che presiede alla sintesi dell'adenosintrifosfato (ATP) a partire da "ingredienti" (adenosindifosfato, ADP, e fosfato inorganico); (b) particolare (visto dall'alto) che evidenzia come la camma g ruotando deforma i tre siti in cui avviene la sintesi dell'ATP. (Figura ripresa e modificata da Chemistry in Britain, settembre 2000, p. 34).

 

Una delle nanomacchine più studiate è certamente quella preposta alla sintesi dell'adenosintrifosfato (ATP), molecola che fornisce l'energia per le funzioni vitali.  Questo congegno, illustrato nella Figura 4 [7], ha dimensioni dell'ordine di 10 nm ed è costituito da un'unità C, formata da proteine ad elica che attraversano una membrana, e da una unità g solidale a C. Quando la concentrazione dei protoni all'interno della membrana è superiore a quella esterna, si genera un flusso di protoni che causa la rotazione di C e, come conseguenza, di g (Figura 4a).  Quest'ultima unità agisce come una camma meccanica che, ruotando, deforma in successione tre siti nel sistema proteico che la circonda, causando, in ognuno di essi, la trasformazione di ADP in ATP (Figura 4b).

 

Come per le macchine del mondo macroscopico, così anche per le macchine molecolari è possibile ottenere il movimento meccanico solo se si fornisce energia.  Per la maggior parte delle macchine del mondo macroscopico l'energia necessaria è prodotta dalla reazione fra ossigeno e sostanze ad alto contenuto energetico (combustibili) che avviene in motori detti a "combustione interna".  Ovviamente, le macchine molecolari, costituzionalmente molto più fragili di quelle macroscopiche, non possono essere alimentate da un motore di questo tipo, che lavora ad alte temperature ed elevate pressioni; possono però sfruttare, analogamente alle macchine del mondo macroscopico, una reazione chimica, purché essa avvenga in condizioni blande.  Questo, infatti, è proprio quello che succede nelle nanomacchine biologiche nelle quali la reazione che genera l'energia necessaria al loro funzionamento procede attraverso molti stadi successivi, in ciascuno dei quali è messa in gioco solo una piccola quantità di energia.  Comunque, a parte questa differenza "tecnica", rimane il fatto che sia le macchine macroscopiche che quelle biologiche funzionano consumando un combustibile.  Questo, inevitabilmente, comporta la formazione di prodotti di scarto, la cui eliminazione è condizione necessaria per preservare il buon funzionamento della macchina.

 

Nanomacchine artificiali

L'idea di costruire macchine molecolari artificiali è stata avanzata nel 1959 da Richard P. Feynman [8], Premio Nobel per la Fisica, ma evidentemente, a quel tempo, la comunità scientifica non era pronta per questa avventura, dal momento che si sono dovuti aspettare vent'anni per avere i primi concreti tentativi di progettazione e costruzione di nanomacchine.  Poiché la realizzazione di macchine molecolari artificiali non può che avvenire con l'approccio chimico discusso in precedenza e poiché si è subito capito che era impossibile imitare la Natura, a causa della sua intrinseca complessità, i semplici prototipi fino ad oggi ottenuti sfruttano l'uso del minor numero possibile di componenti molecolari.

La maggior parte delle attuali ricerche nel campo delle macchine molecolari artificiali è concentrata su sistemi supramolecolari chiamati pseudorotassani, rotassani e catenani [9], con i quali è possibile ottenere semplici movimenti lineari o rotatori.  Di seguito sono illustrati alcuni esempi di nanomacchine basate su tali sistemi, scelti anche per mostrare come sia possibile utilizzare energia luminosa, chimica o elettrica per far avvenire la reazione responsabile del movimento [5].

 

Macchine artificiali basate su pseudorotassani, rotassani e catenani

Uno pseudorotassano è un sistema supramolecolare formato da una molecola ad anello infilata in un componente lineare (Figura 5a).  Un rotassano può essere immaginato come formato da uno pseudorotassano in cui, all'estremità del componente lineare, sono stati aggiunti due gruppi ingombranti per impedire lo sfilamento dell'anello (Figura 5bc).

 

Figura 5. Alcuni esempi di semplici movimenti che possono essere ottenuti in sistemi supramolecolari di tipo pseudorotassano, rotassano e catenano.

 

Un catenano, infine, è un sistema supramolecolare formato da due molecole ad anello incatenate una all'altra (Figura 5de).  In sistemi di questo genere, se accuratamente progettati, è possibile, mediante l'uso di opportuni stimoli energetici, mettere in atto movimenti meccanici come quelli mostrati nella Figura 5.  Al fine di controllare movimenti di questo genere è, però, necessario che siano verificati quattro requisiti fondamentali: (a) il sistema deve avere solo due situazioni strutturalmente stabili (ad esempio, per il sistema di Figura 5a le due situazioni corrispondono ad avere i componenti associati o separati); (b) una delle due strutture deve essere più stabile dell'altra, così da avere una situazione iniziale in cui è presente una sola struttura (ad esempio, per il sistema di Figura 5a la situazione più stabile è generalmente quella in cui i due componenti sono associati); (c) con uno stimolo esterno deve essere possibile destabilizzare la struttura iniziale e costringere quindi il sistema a riorganizzarsi nell'altra struttura; (d) con un secondo stimolo esterno, che a volte è una semplice conseguenza del primo, deve essere possibile annullare l'effetto destabilizzante e ritornare alla struttura originale.

 

Sistema pistone/cilindro azionato dalla luce

Il movimento di sfilaggio/infilaggio dei due componenti molecolari di uno pseudorotassano (Figura 5a) ricorda quello di un pistone in un cilindro ed in Figura 6 è illustrato un esempio reale di sistema in grado di comportarsi in tal modo [10].  Il componente lineare A possiede l'unità A1 che ha tendenza ad accettare elettroni, mentre il componente ciclico B possiede due unità B1 che hanno tendenza a donare elettroni.  In virtù di questa complementarietà nelle proprietà chimiche, i due componenti, quando sono messi nella stessa soluzione, si associano spontaneamente dando origine alla struttura di tipo pseudorotassano.  Si può notare che il componente lineare contiene anche un'altra unità, il complesso metallico A2, che non gioca alcun ruolo nell'associazione, ma che costituisce il "motore a luce" del sistema.  Infatti, quando il sistema viene illuminato con luce di opportuna lunghezza d'onda, l'assorbimento di un fotone da parte dell'unità A2 causa il trasferimento di un elettrone da A2 (che si ossida) ad A1 (che si riduce).  L'unità A1 perde così la sua proprietà di accettare elettroni e non è più in grado di interagire con le unità elettron donatrici B1 del componente ciclico.  In altre parole, l'eccitazione fotonica distrugge l'interazione che tiene associati i due componenti, inducendo il movimento di sfilaggio.  Si deve, però, notare che tale processo, essendo relativamente lento, può avvenire solo se nella soluzione è presente una sostanza Red che cede un elettrone all'unità A2, non appena questa ha trasferito un elettrone all'unità A1.  In caso contrario, l'elettrone acquistato dall'unità A1 tornerebbe molto velocemente sull'unità A2 con immediato ripristino dell'interazione donatore-accettore che mantiene associati i due componenti.

 

Figura 6. Movimento pistone/cilindro in uno pseudorotassano azionato dalla luce. Red e Ox sono rispettivamente un riducente ed un ossidante; Prod rappresenta genericamente i prodotti di scarto legati al funzionamento della macchina.

 

Il ri-infilaggio dei componenti può essere ottenuto aggiungendo alla soluzione un ossidante Ox (in genere, semplicemente ossigeno) che, togliendo ad A1 l'elettrone acquistato nel processo di riduzione, ripristina le sue proprietà elettron accettrici.  È importante sottolineare che in questo sistema il movimento meccanico è indotto dalla luce, ma sono anche necessarie due sostanze chimiche, Red e Ox, per far sì che avvenga il ciclo completo di sfilaggio e ri-infilaggio, con inevitabile formazione di prodotti di scarto (Prod).

Più recentemente è stato realizzato un sistema pistone/cilindro il cui funzionamento, essendo esclusivamente "guidato" da impulsi luminosi, non comporta la formazione di prodotti di scarto [11].

 

Una navetta azionata da energia chimica

Il movimento dell'anello di un rotassano lungo il filo (Figura 5c) corrisponde, a livello molecolare, al movimento di una "navetta" (in inglese, "shuttle") lungo un binario.  Un esempio di questo tipo è rappresentato dal rotassano di Figura 7 [12], formato dall'anello C e dal componente lineare D in cui sono presenti due unità distinte, D1 ed D2; la prima è costituita da un ammonio secondario, che può essere deprotonato reversibilmente ad ammina, mentre la seconda è formata dalla stessa unità elettron accettrice vista nell'esempio precedente.  Queste unità rappresentano due potenziali "stazioni" per l'anello C, dal momento che esso può interagire sia con D1, grazie alla formazione di legami ad idrogeno, sia con D2, dando un'interazione di tipo elettron donatore/elettron accettore.  Poiché il primo tipo di interazione è più forte del secondo, l'anello si trova inizialmente sulla stazione D1.  Se, però, alla soluzione contenente il rotassano viene aggiunta una base, l'unità ammonio D1 si deprotona, perdendo così la sua capacità di formare legami ad idrogeno con l'anello.  Come conseguenza, l'anello C si sposta sulla stazione D2, con la quale può dare interazioni elettron donatore/elettron accettore.  Se, a questo punto, si aggiunge alla soluzione un acido, si ricostituisce l'unità ammonio D1 e l'anello trova conveniente tornare su questa stazione con la quale è in grado di interagire più fortemente.

 

Figura 7. Una "navetta" molecolare azionata da protoni.

 

Il movimento alternato di C da D1 a D2 può essere ripetuto molte volte perché la reazione acido/base che lo governa è perfettamente reversibile; l'unica limitazione deriva dal fatto che le successive aggiunte di base e di acido comportano la formazione di sostanze che, alla lunga, compromettono il funzionamento del sistema.

Recentemente i concetti che stanno alla base del funzionamento di questo sistema sono stati utilizzati per creare una macchina molecolare molto più complessa (“Molecular Elevator” [13], poi ribattezzato “Nanospider”, Figure 8).  Questo risultato è stato evidenziato anche dalla stampa non scientifica [14] nazionale ed internazionale.

 

Figura 8. Un prototipo di ascensore molecolare.  Il sistema, che ha un diametro di 3,5 nm, è costituito da due componenti molecolari legati meccanicamente fra loro come le parti di un ingranaggio.  Il primo componente è una sorta di telaio a tre rami (in grigio e azzurro nella figura) costituito da atomi di carbonio, idrogeno e azoto, mentre il secondo componente (in rosso) è una piattaforma composta da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno.  Cambiando l’acidità della soluzione, la piattaforma si muove, rispetto al telaio, in “giù“ e in “su”, proprio come avviene in un ascensore, coprendo una distanza di 0,7 nm.  Tale macchina molecolare è potenzialmente in grado di sviluppare una forza di circa 200 pN (1 pN = 10-12 N), un valore maggiore non solo di quelli prevedibili per i precedenti prototipi di macchine molecolari artificiali, ma anche di quelli tipici dei motori molecolari del mondo biologico basati su proteine.

 

Rotazione di un anello azionata da energia elettrica

In catenani appositamente progettati, è possibile far ruotare un anello rispetto all'altro (Figura 5d) ma, per far sì che questo movimento sia controllabile, occorre che almeno uno dei due anelli del catenano sia non simmetrico, come è appunto il caso del sistema illustrato nella Figura 9 [15].  Tale catenano è costituito dall'anello E, che contiene due unità E1 uguali ed elettron accettrici, e dall'anello F, che contiene due unità elettron donatrici diverse, F1 ed F2, con F1 più forte di F2.  La struttura inizialmente stabile è quella in cui l'unità F1 è contenuta all'interno dell'anello E, così da poter interagire con entrambe le unità accettrici di quest'ultimo.  Per far ruotare l'anello, è necessario destabilizzare questa struttura e ciò può essere ottenuto con uno stimolo elettrochimico che, togliendo un elettrone all'unità F1 (cioè ossidandola), annulla la sua proprietà di donare elettroni.  La struttura più stabile diventa, allora, quella con l'unità F2 all'interno dell'anello E, situazione che viene raggiunta per rotazione di 180° dell'anello F.  Se, a questo punto, sempre mediante uno stimolo elettrochimico, viene restituito l’elettrone all'unità F1 precedentemente ossidata (cioè viene ridotta), essa riacquista le sue caratteristiche elettron donatrici e, di conseguenza, l'anello F ruota nuovamente riportando il sistema alla struttura iniziale.

 

Figura 9. Movimento di rotazione di un anello controllato da stimoli elettrochimici.

 

Nanomacchine e logica a livello molecolare

Le macchine molecolari artificiali discusse negli esempi sopra riportati sono interessanti non solo per il loro aspetto meccanico, ma anche dal punto di vista della logica [16].  Essi, infatti, possono esistere in due stati distinti e convertibili mediante impulsi esterni di natura luminosa, chimica o elettrica.  Su questi sistemi, dunque, si possono "scrivere" informazioni secondo una logica binaria.  Lo stato in cui si trova il sistema, d'altra parte, può essere "letto" facilmente poiché alcune sue proprietà (ad esempio, assorbimento od emissione di luce di specifica lunghezza d'onda) cambiano drasticamente nel passaggio da uno stato all'altro.  Questo vale anche per sistemi molecolari bistabili di tutt’altro tipo come ad esempio le molecole fotocromiche [17].

Alcuni scienziati vedono in queste ed in altre ricerche collegate i primi passi verso la costruzione di una nuova generazione di computer (computer chimici) che, basandosi su componenti di dimensioni nanometriche, potrebbero offrire prestazioni molto superiori a quelle dei calcolatori oggi in uso.  La cosa, forse, non stupisce più di tanto, se si pensa alle capacità di quello speciale (e forse inimitabile) computer chimico, chiamato cervello, di cui ogni individuo è dotato.

 

Bibliografia

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14. Si veda, ad esempio, Il Sole 24 Ore del 19 marzo 2004.

15. M. Asakawa, P. Ashton, V. Balzani, A. Credi, C. Hamers, G. Mattersteig, M. Montalti, A.N. Shipway, N. Spencer, J. F. Stoddart, M.S. Tolley, M. Venturi, A.J.P. White and D. J. Williams, Angew. Chem. Int. Ed., 1998, 37, 333-337.

16. V. Balzani, A. Credi, M. Venturi: “Molecular Logic Circuits”, ChemPhysChem, 2003, 3, 101-111.

17. a) A.P. de Silva, N.D. McClenaghan, Chem. Eur. J. 2004, 10, 574. b) F.M. Raymo, Adv. Mat. 2002, 14, 401. (c) F. Pina, M.J. Melo, M. Maestri, P. Passaniti, V. Balzani, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 4496-4498. (d) Molecular Switches, B.L. Feringa ed., Wiley-VCH, Weinheim, (2001).