Solida, liquida o gassosa: queste le diverse forme che la materia assume secondo parametri esterni come soprattutto la temperatura e la pressione. Pensiamo all’acqua: negli stati fluidi non può essere maneggiata come un materiale, invece il ghiaccio può essere addirittura scolpito. Tuttavia, a freddo, tutta la materia si congela e irrigidisce: le molecole stesse si muovono solo minimamente o molto lentamente, invece perché un materiale solido sia attivo deve godere di un certo grado di mobilità, tipica dei liquidi. La vera sfida è progettare e costruire un materiale dai suoi elementi molecolari per spingersi nel territorio dove i confini fra gli stati della materia si mischiano per avere i vantaggi che ciascuno di essi può dare: una componente dinamica allo stato solido può avere, infatti, conseguenze assolutamente innovative sulle proprietà finali del materiale.
Grazie alla collaborazione di un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca guidato dal Prof. Piero Sozzani, professore ordinario di Chimica Industriale, e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pavia, è stato possibile ottenere un materiale cristallino altamente poroso (Metal-Organic Framework, MOF) in cui sono stati inseriti rotori molecolari che mostrano una velocità di rotazione record nel regime dei Gigahertz ancora a 2K (-271 °C). In questi rotori veloci allo stato solido, i gruppi molecolari rotanti vengono sostenuti da un’impalcatura cristallina fissa che agisce da statore. L’elevata porosità dei MOF è tale che ogni gruppo molecolare rotante abbia molto spazio vuoto attorno a sé e, quindi, possa risentire in modo trascurabile dell’intorno cristallino. I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati su Nature Chemistry nell’articolo intitolato “Fast motion of molecular rotors in metal-organic framework struts at very low temperatures” (doi: 10.1038/s41557-020-0495-3).
Perché è importante avere un solido con le dinamiche di un liquido?
La possibilità di dotare la materia di una dinamica interna pari a quella dei liquidi è estremamente importante perché molte funzioni ed applicazioni sono precluse per i sistemi intrinsecamente rigidi e statici: – spiega il Prof. Sozzani – eppure, queste proprietà dinamiche devono stabilirsi senza sacrificare la solidità e robustezza del materiale nel suo insieme. Questi aspetti dinamici sono correlati alla possibilità di costruire ‘motori e rotori molecolari’ che possano eseguire un lavoro collettivo, pur ancorati ed imperniati all’interno del materiale solido, espletando in questo modo proprietà magnetiche, ferroelettriche o cambiamento di colore stimolato. Tutte queste proprietà sono legate direttamente o indirettamente alla persistenza della mobilità nel solido.
L’attività di ricerca sulle macchine molecolari artificiali ha come scopo fondamentale il controllo sulle proprietà dinamiche di molecole attive al fine di compiere lavoro e operazioni meccaniche utili su scala nanometrica, come nei casi esemplari degli interruttori e attuatori molecolari. Nei motori a cui siamo abituati nella vita di tutti i giorni (si pensi per esempio alle autovetture) le componenti rotanti rivestono un ruolo di fondamentale importanza; allo stesso modo, la realizzazione di motori molecolari richiede che siano disponibili unità molecolari rotanti in modo continuo e ‘fluido’.
A quale innovazione scientifica ha portato la ricerca pubblicata su Nature Chemistry?
Abbiamo raggiunto la massima mobilità ottenibile in un solido contenente rotori molecolari – continua il Prof. Sozzani – e ci siamo spinti a studiarne la dinamica fino a 2 K (-271°C), con bassissime richieste energetiche è sufficiente ad animare il moto di un gruppo di atomi coerentemente intorno ad un asse stabile di rotazione opportunamente progettato. Questo ha portato ad un vero record della mobilità e bassissima energia (solo 6 piccole calorie per mole), cioè quasi nulla nel mondo molecolare. Ancora più importante, il materiale non subisce transizioni, cioè modificazioni, per l’abbassamento delle temperature in regioni così estreme. Sorprendentemente, si registrano velocità di rotazione nel regime dei Gigahertz ancora a 2K, come osservato mediante la Risonanza Magnetica Nucleare dello stato solido.
Quali sono i principi che hanno improntato la scoperta?
L’alchimia per la fabbricazione della architettura cristallina dinamica comprende conoscenze approfondite di auto-assemblaggio molecolare, a partire dalla preparazione degli elementi costruttivi, come si preparano pilastri e travi in un cantiere – spiega il Prof. Sozzani. – Il risultato non è per niente ottenuto in modo casuale o per cosiddetta ‘serendipity’, ma da un processo di progettazione specifico, che è la caratteristica più affascinante della moderna Scienza dei Materiali: costruzione mirata verso il raggiungimento di nuove proprietà.
Abbiamo infatti tenuto ben presente aspetti molteplici quali ampio volume libero e bassissima energia al perno di rotazione generata dall’applicazione di elementi di simmetria dei vari gruppi di atomi e la simmetria cristallina dell’insieme della struttura. Specificamente, la compensazione e frustrazione degli elementi di simmetria ha portato ad un profilo energetico di rotazione estremamente piatto e ‘scorrevole’. La nuova categoria di rotori è stata definita come FTR “rotori con simmetria trigonale frustrata”.
Le basse barriere di rotazione realizzate, più basse dell’energia termica a 2 K, permetteranno di costruire motori e rotori molecolari che estendono il loro dominio di esistenza al limite estremo delle bassissime temperature: a quel limite, l’agitazione termica incoerente diventa trascurabile, rendendo possibile la fabbricazione di motori molecolari dotati di moto coerente che possano lavorare indisturbati.