comunicato stampa leap - Dipartimento di Chimica «Giacomo

RICERCA: ECCO LEAP, POMPA MOLECOLARE MADE IN ITALY
È il primo motore molecolare autoassemblante che può convertire in modo continuo ed automatico
l’energia luminosa in lavoro. Oggi il debutto su Nature Nanotechnology.
EMBARGO al 24 novembre ore 17 – Bologna – Le dimensioni sono nanometriche (milionesimi di
millimetro) ed è in grado di pompare molecole sfruttando l’energia della luce. Si tratta di un sistema
estremamente semplice e dunque adattabile a diverse necessità, il cui funzionamento è molto simile a
quello dei motori biologici che regolano il trasporto di sostanze all’interno delle cellule o la contrazione dei
muscoli. E’ l’unica macchina molecolare automatica ed autoassemblante sviluppata in laboratorio: si
costruisce da sola e, se esposta alla luce del Sole, funziona in maniera autonoma senza bisogno
dell’intervento umano.
A progettarla, realizzarla ed infine collaudarla - riferisce un articolo pubblicato oggi dalla prestigiosa
rivista scientifica Nature Nanotechnology - un gruppo di ricercatori del Dipartimento di chimica “G.
Ciamician” dell’Università di Bologna, coordinato da Alberto Credi e composto da Giulio Ragazzon,
Massimo Baroncini, Serena Silvi e Margherita Venturi.
Il nuovo sistema Leap (Light energy automatic pump) sviluppato dal team bolognese è in grado di
convertire in modo continuo ed automatico l’energia luminosa di una fonte costante (come il Sole) in
lavoro meccanico ed è il primo esempio di pompa molecolare artificiale azionata dalla luce. Le altre
macchine molecolari artificiali realizzate fino ad ora hanno strutture molto sofisticate, non sono capaci di
sfruttare la loro fonte energetica in modo continuo ed autonomo, e non possono compiere lavoro. Con Leap
(che in inglese significa “balzo”) questi limiti sono stati superati. Una volta accesa la luce il dispositivo
funziona senza bisogno di altri interventi esterni, così come un motore a scoppio gira autonomamente
finché gli si fornisce il carburante. A differenza di quest’ultimo, però, Leap utilizza un’energia rinnovabile
(la luce) e non genera prodotti di scarto. Il prossimo obiettivo del gruppo di ricerca è inserire il nanomotore
in una membrana che separa due comparti e studiarne l’effettiva capacità di “pompare” molecole da un
comparto all’altro sotto l’azione della luce.
Lo sviluppo di nanomotori artificiali è di grande importanza sia per capire meglio il funzionamento dei
nanomotori biologici, sia per costruire dispositivi ultraminiaturizzati di nuova generazione capaci, ad
esempio, di intervenire in maniera attiva sui meccanismi cellulari. Sistemi del genere potrebbero essere in
grado, in futuro, di curare malattie prevenendo o riparando danni biologici. Inoltre, la realizzazione di un
congegno nanometrico capace di utilizzare la luce per trasportare molecole è il primo passo verso lo
sviluppo di metodologie di nuova concezione per la conversione dell’energia solare in energia chimica.
Come è noto, tale conversione è di importanza cruciale per lo sfruttamento dell’energia solare in molti
settori tecnologici.
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Il motore
Il motore molecolare è costituito da
due componenti a forma di anello e di
filo. Sfruttando i metodi della chimica
supramolecolare, i ricercatori hanno
fatto in modo che il filo e l’anello si
infilassero l’uno nell’altro in modo
veloce ed efficiente: un risultato già di
per sé stupefacente, dato che l’anello
ha un diametro di soli 0,7 nanometri.
Inoltre, tale movimento avviene
secondo una direzione precisa:
l’anello scorre sul filo soltanto
attraverso il componente detto
azobenzene (in verde nella figura).
L’arrivo di un fotone di luce provoca
un profondo cambiamento strutturale nell’azobenzene: la nuova forma (in rosso nella figura) non soltanto
blocca il movimento dell’anello in senso contrario, ma lo spinge fino a farlo uscire dall’altra estremità del
filo. Un altro fotone di luce rigenera la forma iniziale dell’azobenzene (in verde), mettendo il sistema in
condizioni di ripetere il ciclo. Nel complesso, per azione della luce, le molecole ad anello vengono sospinte
in modo ripetitivo lungo il filo molecolare in una precisa direzione per una distanza di circa 1,7 nanometri.
Nelle condizioni utilizzate negli esperimenti, a temperatura ambiente in un volume di 1 millilitro, il sistema
pompa all’incirca 20 miliardi di anelli molecolari al secondo.
Il progetto
Leap è il risultato di un progetto nato circa quattro anni fa, che si inserisce in una linea di ricerca avviata
dal Laboratorio di nanoscienze fotochimiche da molti anni, nella quale è all’avanguardia in campo
internazionale. In passato il gruppo aveva già attirato l’attenzione dell’opinione pubblica sviluppando il
prototipo di un ascensore nanometrico (pubblicato su Science nel 2004) e di una prolunga elettrica
molecolare (pubblicata su Pnas nel 2006).
Il concetto fondamentale a cui si ispira questa ricerca è l’estensione a livello molecolare, cioè nanometrico,
dei concetti di “dispositivo” e di “macchina”, che ci sono così familiari nella vita di tutti i giorni. Nel
compiere queste ricerche i chimici operano alla stregua degli ingegneri (progettazione di componenti e loro
assemblaggio per ottenere dispositivi e macchine), manipolando però sistemi un miliardo di volte più
piccoli, dal momento che i loro pezzi di partenza sono le molecole (ingegneria molecolare).
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La realizzazione di macchine e motori artificiali di dimensioni nanometriche è infatti di grande interesse
per lo sviluppo della nanotecnologia, cioè di una tecnologia che permette di costruire strutture e congegni
ultraminiaturizzati. Molti ritengono che la nanotecnologia porterà non solo a materiali più leggeri e più
resistenti e a computer più piccoli e più potenti, ma rivoluzionerà anche la medicina e altri settori della
scienza e della tecnologia.
Riferimenti studio:
G. Ragazzon, M. Baroncini, S. Silvi, M. Venturi, A. Credi: “Light-powered autonomous and directed
molecular motion of a dissipative self-assembling system.” Nature Nanotechnology, DOI:
10.1038/nnano.2014.260
Press kit:
Video, immagini e fotografie sono disponibili su https://sites.google.com/site/leapnanomotor/
Per approfondimenti:
Alberto Credi (coordinatore team scientifico), cell. +39 347 442 9973, [email protected]
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