LEAP, il primo motore molecolare auto-assemblante italiano

Nuovi sviluppi nel campo delle nanotecnologie: LEAP (Light Energy Automatic Pump), un motore molecolare in grado di convertire l'energia luminosa in lavoro, è la prima nanomacchina auto-assemblante mai costruita.

Questo micromotore, progettato nel Dipartimento di chimica "G. Ciamician" dell'Alma Mater Studiorum di Bologna, ha l'obiettivo di "realizzare un sistema il più semplice possibile capace di utilizzare la luce per spostare in maniera unidirezionale una molecola rispetto ad un'altra," afferma Alberto Credi, coordinatore del team, con cui abbiamo fatto due chiacchiere per saperne di più.

Lo sviluppo di nanomotori artificiali è di grande importanza sia per capire meglio il funzionamento di questi  motori biologici, sia per costruire dispositivi in miniatura di nuova generazione capaci di intervenire in maniera attiva sui meccanismi cellulari. Queste macchine sono infatti caratterizzate da funzioni molto simili a quelle dei motori biologici che regolano il trasporto di sostanze all'interno delle cellule, o che favoriscono la contrazione muscolare. Il fine è quello di ottenere "innovazioni rivoluzionarie nelle tecnologie informatiche, nei materiali, nel settore energetico, nella diagnostica e nella medicina." Tuttavia, questa è una sfida tutt'altro che semplice. È necessario tener presente "che le molecole sono oggetti molto piccoli e sono sottoposti all'azione incessante del moto Browniano, che è casuale."

Lo studio, pubblicato di recente su Nature Nanotechnology, promette rivoluzioni non soltanto in campo medico, ma anche in altri settori della scienza e della tecnologia. LEAP―dall'inglese balzo, in riferimento al salto in avanti fatto rispetto ai motori molecolari preesistenti―è in grado di convertire in modo continuo e automatico una fonte di energia luminosa costante, come quella solare, a differenza delle altre macchine molecolari, incapaci di sfruttare una fonte energetica in maniera continua e autonoma. Una volta accesa la luce, infatti, il dispositivo si aziona automaticamente, senza generare prodotti di scarto―dal momento che sfrutta una fonte rinnovabile. "Questa conversione è di importanza cruciale per lo sfruttamento dell'energia solare in molti settori tecnologici." Inoltre "i componenti molecolari sono progettati in modo da possedere forma, dimensioni e proprietà complementari, affinché basti semplicemente mescolarli fra loro per ottenere il montaggio del dispositivo."

Nel laboratorio bolognese si occupano da tempo di macchine molecolari azionate dalla luce: "cerchiamo di ragionare come gli ingegneri, mettendo insieme componenti molecolari, ciascuno capace di svolgere una funzione molto semplice e specifica, nel tentativo di ottenere una funzionalità più complessa."

La miniaturizzazione, infatti, è uno degli ingredienti fondamentali dello sviluppo tecnologico. Grazie a congegni molto piccoli è possibile non soltanto svolgere funzioni diverse consumando meno risorse, "ma anche accedere a funzioni finora irrealizzabili, oppure ottenere proprietà nuove."

Il team di scienziati ha fatto un importante passo verso "la realizzazione di una vera e propria pompa molecolare: un dispositivo che può spingere molecole da un compartimento all'altro, lungo un percorso in salita dal punto di vista energetico." Questo è il risultato più rilevante dello studio, dal momento che, grazie all'energia luminosa, LEAP è in grado di superare "la naturale tendenza dei sistemi chimici a raggiungere lo stato di minima energia, che noi chimici chiamiamo equilibrio."

Il prossimo obiettivo dei ricercatori è l'inserimento del nanomotore all'interno di una membrana per studiare la capacità effettiva di "pompare" le molecole da una parte all'altra della membrana, sotto l'azione costante della luce. Questo tipo di sistemi potrebbe essere in grado di curare malattie, andando a riparare in sito i danni biologici.

"Stiamo lavorando per rendere più esplicita la funzione di pompaggio e cercheremo, inoltre, di inserire il dispositivo in una membrana che separa due compartimenti, in modo da ottenere una prova diretta della funzione di pompaggio. Se così fosse, potremo produrre differenze di concentrazione ai due lati della membrana, convertendo l'energia luminosa in energia chimica: una specie di fotosintesi artificiale."