Gli scienziati di Edimburgo danno vita ad un minuscolo
meccanismo immaginato 150 anni fa dal fisico scozzese
Un nanomotore per micromacchine
il diavoletto di Maxwell diventa realtà
Un congegno incredibilmente piccolo le cui parti sono singole molecole
Emula funzioni già presenti in natura e "sarà una rivoluzione"
LONDRA - Un micro-motore che potrebbe aprire la via alla creazione di nanomacchine microscopiche. L'idea del visionario fisico scozzese James Clerck Maxwell, che nel 1867 ipotizzò per primo un congegno della grandezza di un atomo capace di agire su scala microscopica, il noto "diavoletto", sta ora per diventare realtà grazie agli scienziati dell'Università di Edimburgo.
"Abbiamo un nuovo motore per una nanomacchina", ha annunciato David Leigh, un professore di chimica dell'università. Ma cos'è una nanomacchina? E' un congegno incredibilmente piccolo le cui parti sono singole molecole. In natura esiste già, ed è utilizzata in diversi campi: dalla fotosintesi al movimento dei muscoli, al trasferimento dell'informazione tra le cellule.
Da tempo gli scienziati stanno cercando di cogliere dalla natura i segreti della nanotecnologia, che opera su scale ridottissime. Un nanometro, infatti, corrisponde a un miliardesimo di metro, che è circa 80.000 volte più piccolo del diametro di un capello umano.
"Le nanomacchine consentono che la vita si sviluppi a livello molecolare. Il nostro nuovo meccanismo motore costituisce un piccolo passo verso l'emulazione di questa funzione tramite macchine artificiali", ha detto all'agenzia Reuters Leigh.
Il suo meccanismo immobilizza le particelle di grandezza molecolare che si muovono secondo il loro moto naturale. Una volta intrappolate, le molecole non possono scappare e questo è un risultato che non era mai raggiunto finora. Come aveva immaginato Maxwell 150 anni fa, non necessita di energia perché si alimenta con la luce. E proprio a Maxwell, Leigh riconosce un apporto fondamentale per la comprensione del comportamento della luce, del calore e delle molecole.
Se la nanotecnologia è già utilizzata nella cosmetica, nei processori per computer e nei pannelli solari, Leigh è convinto che la nanoscienza e la nanoingegneria potranno avere un grossissimo impatto sulla società, paragonabile a quello dell'elettricità, della macchina a vapore e di internet. Capire in che modo, è però più difficile. "E' un po' come chiedere all'uomo che ha inventato la ruota nell'età della pietra di immaginarsi l'autostrada", conclude Leigh.
Tratto da:
SCIENZA & TECNOLOGIA
"repubblica.it"
1 febbraio 2007
Per approfondire:
Figure: Chemical structure of a mechanically-interlocked rotary molecular motor. Hydrogen bonds are shown by dotted lines. The ‘bubbles’ are solvent molecules (dichloromethane).
Designing components for ‘molecular machines’ is not always an intuitive process, because the physics that governs how things behave at the molecular level is very different from the physics of our macroscopic world. In the ‘real world’ machine parts (cogs, flywheels, pistons etc) do not move unless and until a force is applied to make them do so. At the molecular scale, however, molecules and their parts are constantly moving above -273 degrees Centigrade (absolute zero) and it is finding ways to control this motion which is the key to developing working mechanical molecular machines. The motor designed by the Edinburgh and Bologna chemists uses hydrogen bonds – the molecular forces used by nature to hold together proteins and DNA – as a ‘glue’ to stop the movement of molecular-sized components when they are not required to move. The molecular motor consists of two small molecular rings linked onto one larger ring and held in place at predetermined sites (‘stations’ A-D below) by hydrogen bonds. The small rings are made to move around the big ring by illuminating them with light of different wavelengths, fuelling chemical reactions that break the hydrogen bonds. Then each small ring blocks one direction of motion of the other ring meaning that both rings move round the large ring in the same direction forming a light-driven directional rotary motor.
Exactly how does it work? Initially the blue and purple rings are glued by hydrogen bonds to the A and B stations. When long wavelength ultraviolet light is shone (shown as process (i) on the diagram) on the molecule A changes to A' and the hydrogen bond glue between the blue ring and the A-station is broken and the blue ring becomes free to move. However, it can only move counter-clockwise because the purple ring blocks movement in the clockwise direction! When the blue ring arrives at C it is stuck there again by hydrogen bonds. Next, process (ii) is brought about by irradiation with short-wavelength ultraviolet light transforming B station into B' and breaking the hydrogen bonds between the purple ring and station B. The purple ring is then able to move until it is ‘captured’ by hydrogen bonds at station D. However, once again it can only move in an counter-clockwise direction to get to D because the clockwise path is blocked by the blue ring at C. White light then changes A' back to A and B' back to B (process (iii)) and so the purple ring moves to A and the blue ring to B, again in a unidirectional manner. Effectively the small rings have now swapped places by following each other halfway around the big ring. In order to complete the rotation of both small rings, processes (i)-(iii) have to be repeated!
Ways to utilize artificial molecular level motors have still to be developed, but possible future applications could include (a) molecular ‘winches’ which could wind up molecular chains (polymers) resulting in length or shape-changes to materials on demand, or (b) the use of molecular rotary motors to power the movement of objects across surfaces (for example, along a path drawn with a laser pointer).
Professor David A. Leigh
Forbes Professor of Organic Chemistry & EPSRC Senior Research Fellow
http://www.chem.ed.ac.uk/staff/leigh.html
http://www.s119716185.websitehome.co.uk/index.html
Zerbetto Research Group
Dipartimento di Chimica "G. Ciamician",
Universita di Bologna, V. F. Selmi 2, 40126 Bologna, Italy
http://www.ciam.unibo.it/sitcon
