Sistemi molecolari progettati ad hoc per convertire funzioni dinamiche su scala molecolare in una risposta visibile a occhio nudo in materiali intelligenti multifunzionali: è ancora fantascienza?
Da anni la ricerca nel campo della Scienza dei Materiali si sta focalizzando sullo studio di sistemi molecolari sensibili agli stimoli esterni, ospitati all’interno di materiali porosi allo scopo di sfruttarne le funzioni dinamiche (ad esempio il movimento), integrandoli in materiali intelligenti multifunzionali. La costruzione di strutture altamente porose dotate di reattività agli stimoli esterni, ad esempio mediante eccitazione luminosa, è tuttavia ancora agli inizi. In questo campo, una delle sfide più affascinanti è costituita dalla creazione di veri e propri interruttori molecolari azionati da stimoli luminosi, capaci di indurre una modifica attiva nel materiale nanoporoso, tanto da portare alla esecuzione di un lavoro macroscopico (Porous Switchable Framework, PSF).
Grazie alla costante ricerca su questo hot topic da parte di un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca costituito dalla Prof.ssa Angiolina Comotti, Prof.ssa Silvia Bracco, Prof. Piero Sozzani, Dott. Jacopo Perego e Dott. Charl Bezuidenhout, in collaborazione con il Premio Nobel Ben Feringa dell’Università di Groningen in Olanda, un progetto considerato fantascientifico fino a poco tempo fa sta diventando realtà.
La nanospugna che assorbe ed espelle CO2 a comando
Tramite l’incorporazione di interruttori molecolari in materiali porosi è ora possibile ottenere il controllo remoto delle proprietà di assorbimento e rilascio del gas. I risultati della ricerca “Construction of a three-state responsive framework from a bistable photoswitch” (DOI: 10.1016/j.chempr.2023.08.004) sono stati pubblicato sulla rivista internazionale Chem (Impact Factor 23.5, Journal Citation Report 2022 (Clarivate Analytics, 2023). La struttura nanoporosa commutabile da un interruttore molecolare (foto-switch) a due stati è stata fabbricata utilizzando la polimerizzazione 3D di un monomero foto-attivo per produrre architetture porose espandibili o contrattili a comando luminoso, che assorbe o espelle CO2, proprio come una spugna può assorbire ed espellere l’acqua. L'interazione tra porosità, flessibilità e foto-isomerizzazione reversibile tra due isomeri genera tre stati di porosità distinti a cui è possibile accedere in sequenza. Questa struttura porosa flessibile e reattiva rappresenta un passo avanti verso materiali sensibili alla luce in grado di amplificare il movimento su scala molecolare e convertirlo in una risposta visibile ad occhio nudo.
Ganci molecolari per la fabbricazione di switch nanoporosi multifunzionali
Un approccio innovativo di sintesi chimica ha permesso la fabbricazione di strutture commutabili altamente porose multifunzionali mediante ancoraggio modulare e ad alta precisione con ganci molecolari. I risultati della ricerca “Construction of Multi-Stimuli Responsive Highly Porous Switchable Frameworks by In-Situ Solid-State Generation of Spiropyran Switches” (DOI: 10.1002/adma.202305783) sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Advanced Materials (Impact Factor 29.4, Journal Citation Report 2022 (Clarivate Analytics, 2023)). L’approccio innovativo di innesto allo stato solido in situ ha portato alla generazione di tre strutture porose innestate con gruppi “spiropirano” recanti gruppi funzionali distinti che mostrano varie reattività agli stimoli a partire da un materiale genitore a base di indolo. Questo metodo è risultato estremamente efficiente e ha permesso per la prima volta di ottenere materiali spiropiranici multi-stimolanti, strutturalmente robusti, con elevata capacità dei pori, essenziale per l'isomerizzazione reversibile e quantitativa nella massa. Queste architetture dinamiche hanno mostrato potenzialità per il controllo attivo del pH, l'assorbimento e il rilascio di gas reattivi, la rimozione dei contaminanti e la raccolta dell'acqua.