Le molecole ospitali che si assemblano da sole
in strutture tridimensionali
in strutture tridimensionali
Immaginate di lanciare in aria una pila di mattoni e di vedere che ricadendo essi costruiscono spontaneamente una casa: con questo curioso paragone Neil Champness della Facoltà di Chimica dell'Università di Nottingham illustra il risultato raggiunto dal suo gruppo non già con i mattoni ma con delle speciali molecole. In breve, è accaduto che per la prima volta è stata dimostrata la possibilità di costruire una struttura molecolare tridimensionale (3D) su una superficie. Gli esperimenti, descritti sulla rivista Nature Chemistry, rappresentano un notevole passo avanti nel campo delle nanotecnologie.
La parola chiave è auto-assemblaggio. I nanotecnologi erano già riusciti a costruire strutture molecolari bidimensionali (2D) auto-assemblanti su una superficie. Queste matrici a 2D contengono pori nei quali possono rimanere intrappolate le cosiddette "molecole ospite". Inoltre, le molecole ospite non rimangono semplicemente ferme nelle matrici a 2D: in alcuni casi fanno si che lo schema dell'ospite si trasformi tra due diverse configurazioni a 2D.
Si trattava, negli esperimenti condotti prima d’ora, di utilizzare un meccanismo presente in natura che ricorre ai legami di idrogeno per tenere insieme parti di DNA e costruire strutture molecolari bidimensionali. In questa nuova ricerca, fisici e chimici dell'Università di Nottingham hanno creato una matrice 2D di molecole di acido tetracarbossilico su una superficie. A questo punto è entrato in campo uno dei più celebri protagonisti della chimica contemporanea, il fullerene, detta anche "buckyball", una molecola la cui forma ricorda quella di un pallone da calcio, formata da 60 atomi di carbonio disposti ai vertici di un particolare poliedro semiregolare, l’icosaedro troncato. Quello da 60 è solo il primo di una fortunata famiglia di materiali, che in un quarto di secolo di vita ha già mostrato una singolare varietà di forme e di applicazioni nei settori più disparati.
Gli scienziati inglesi hanno introdotto le molecole di fullerene come molecole ospiti: queste, grazie alla loro forma sferica, si sono posizionate sopra la matrice a 2D. Ciò ha innescato la crescita di un secondo strato di molecole di acido tetracarbossilico sopra il primo strato, il che ha allargato la struttura auto-assemblante fino alla terza dimensione. Finora era stato possibile ottenere un risultato del genere solo in 2D, dove, per stare alla analogia iniziale, i mattoni molecolari formavano un vialetto o un pavimento; qui invece, si inizia a costruire nella terza dimensione.
Il sistema appena scoperto è reversibile; quando il coronene (un idrocarburo policiclico aromatico) viene aggiunto come seconda molecola ospite, la rete a doppio strato con il fullerene viene sostituita da una rete a singolo strato di acido tetracarbossilico con coronene immobilizzato tra i pori. Il sistema quindi offre un ottimo esempio di trasformazione reversibile tra una rete sovramolecolare planare e una non planare: un passo importante verso l'autoassemblaggio controllato di architetture sovramolecolari funzionali e tridimensionali su superfici. In pratica significa un enorme avanzamento verso lo sviluppo di nano dispositivi innovativi: si pensa a nuove possibilità nelle tecnologie ottiche ed elettroniche, fino al traguardo dei computer molecolari.
La ricerca è stata supportata dalla UE attraverso il progetto Coordspace ("Chemistry of coordination space: extraction, storage, activation and catalysis"), con una sovvenzione Advanced Grant del Consiglio europeo della ricerca (CER) di 2,49 milioni di euro assegnata all'Università di Nottingham nell'ambito del programma "Idee" del Settimo programma quadro.