di Lorenzo Piegari 3I Scienze Applicate
Le macchine molecolari, senza dubbio una delle scoperte che apre più fronti nella miniaturizzazione del mondo.
Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa sono stati insigniti del premio Nobel per la chimica grazie alle scoperte proprio in questo campo.
Un grande fisico, Richard Feynman (1918 – 1988), fu il primo a parlare di macchine molecolari nel senso proprio del termine con la famosa domanda “quanto può essere piccola una macchina?” e la celebre considerazione “C’è un sacco di spazio laggiù in fondo”, inteso come spazio sfruttabile nella nanotecnologia. In un periodo in cui si credeva non si potessero ridurre ulteriormente le macchine (intese come insieme di elementi ordinati e comandabili a piacere, dei meccanismi), Feynman vide l’opportunità di “riprogrammare” un gruppo di atomi o un piccolo gruppo di molecole con lo scopo di fargli compiere azioni diverse con stimoli diversi.
Su questa base il gruppo di ricerca diretto da Jean-Pierre Sauvage, nato a Parigi nel 1944 e laureato a Strasburgo;
all’inizio degli anni ’80 risolse il più grande problema finora posto in questa materia: collegare le molecole in modo strutturale (topologico) e non attraverso un legame covalente (basato sulla condivisione degli elettroni). Riuscì infatti a creare una specie di “catena”, composta da una molecola ciclica e una a semicerchio. La molecola a semicerchio, grazie ad un atomo di rame che la tiene in posizione, internamente alla molecola ciclica, si lega ad un’altra molecola della stessa forma. Il risultato è un complesso di molecole incastrate tra loro. Questo processo è stato per anni studiato in una materia chiamata fotochimica, dal momento in cui le reazioni per creare la catena dipendono dall’interazione tra la molecola e la radiazione luminosa. L’efficienza di questa procedura passò così a più del 43%, un risultato strabiliante per l’epoca.
Grazie a queste sue scoperte, Sauvage, nel 1994, riuscì a produrre il primo prototipo di qualcosa di molto somigliante, a livello concettuale, alla ruota. Due molecole cicliche interconnesse permettevano, aggiungendo dell’energia, l’inizio di una rotazione dell’una intorno all’altra.
L’invenzione del rotaxano, nel 1991, portò invece il premio Nobel a J. Fraser Stoddart, nato ad
Edimburgo nel 1942, ed ivi laureato.
Il rotaxano era un complesso molecolare formato di una molecola ciclica ed una lineare. La vera rivoluzione stava nell’assumere il completo controllo della molecola ciclica, spostandola a piacimento lungo l’asse.
La prima applicazione teorica di questa scoperta fu un ascensore in scala molecolare, in grado di sollevarsi di circa 0.7 nanometri (2004). Sempre dall’osservazione della natura e sfruttando la precedente scoperta, nel 2005, Stoddart, sviluppò un muscolo molecolare in grado di piegare una sottile lamina d’oro.
L’applicazione pratica di questa scoperta venne dimostrata platealmente negli anni a seguire, con lo sviluppo di un chip per computer con una memoria di 20 kB.
Bernard L. Feringa, nato nei Paesi Bassi nel 1951 e laureato a Groningen, fu invece l’inventore del motore molecolare: una struttura in grado di ruotare in maniera costante in una data direzione.
Nel 1999, grazie ad alcuni accorgimenti chimici, sviluppò una molecola simile, per concetto, ad un motore. La applicò poi alla più basilare forma di macchina (sviluppata propriamente nel 2011): una struttura centrale con 4 motori molecolari, composti ciascuno di due pale di atomi di carbonio, alle estremità. Questa coppia di pale è in grado di ruotare di 180° ad ogni esposizione ai raggi ultravioletti. Da un goffo e lento inizio allora, questa struttura è oggi in grado di compiere più di 12 milioni di rotazioni ogni secondo.
Il suo sviluppo portò ad incredibili successi, come il sollevamento, da parte di un singolo motore, di un cilindro 10.000 volte più grande del motore stesso.
Nonostante fosse riconosciuto a livello mondiale e fondamentale nello sviluppo di queste tecniche, il genio di Vincenzo Balzani non è stato insignito del premio. Si è dovuto infatti accontentare del titolo di “primo tra i non eletti”, nonostante la collaborazione come pioniere delle macchine molecolari sin dal principio, con il francese Jean-Maie Lehn.
Nato a Forlì nel 1936, fu uno dei primi studenti dei pionieri della fotochimica. Collaboratore di Jean-Marie Lehn sin dal 1972 (quest’ultimo insignito proprio del premio Nobel per la chimica grazie ai suoi avanzamenti proprio nella chimica supramolecolare, ovvero la chimica che studia l’interazione tra sistemi di molecole legate da un legame topologico), impegnato sin dal principio nel campo della fotochimica supramolecolare e riconosciuto come uno tra i più illustri chimici nel mondo. Propose per primo, ufficialmente e con evidenze scientifiche, l’idea delle “macchine molecolari” e ne scrisse un libro nel 1991 (proprio mentre gli altri tre scienziati erano impegnati nello sviluppo di queste tecnologie). Assieme al suo team si occupava di proporre a Stoddart nuovi sistemi supramolecolari, facendoli sintetizzare allo scozzese e occupandosi poi di far “funzionare” questi complessi. Firmò inoltre, assieme a Stoddart e Sauvage, ben 96 articoli scientifici.
La spiegazione più plausibile, confermata poi dalla commissione per l’assegnazione del premio Nobel, è la mancanza di interesse dello stato di provenienza in questo campo. Ciò ha portato quindi un altro chimico, seppur molto stimato, a prendere il suo posto come vincitore.
È quasi superfluo, a questo punto, evidenziare l’incredibile passo avanti per la nano-tecnologia. Nei prossimi anni, con lo sviluppo di queste tecniche di controllo molecolare, assisteremo sicuramente allo sviluppo di complesse nano-macchine con enormi potenziali applicativi.
