Cosa si ottiene combinando in un cristallo una molecola fotosensibilizzante che cattura luce verde e un motore molecolare? Una foglia artificiale che cattura la luce, la trasforma in energia che alimenta il motore in un moto rotatorio unidirezionale.
Questo il risultato dello studio condotto dal gruppo di ricerca guidato dalla prof.ssa Angiolina Comotti, professore ordinario di Chimica Industriale del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano - Bicocca, e dal gruppo di ricerca del Prof. Ben Feringa dell’Università di Groningen, Premio Nobel nel 2016 per la scoperta di macchine molecolari. Grazie alla collaborazione internazionale dei due team, è stato possibile sviluppare un approccio innovativo che permette di sfruttare efficacemente la comune luce visibile per attivare il motore molecolare, grazie alla sensibilizzazione intermolecolare mediante il trasferimento dell’energia da una seconda molecola (cromoforo). La ricerca “Visible-Light-Driven Rotation of Molecular Motors in a Dual-Function Metal–Organic Framework Enabled by Energy Transfer” (doi.org/10.1021/jacs.0c03063) è stato pubblicata sul Journal of the American Chemical Society (Impact factor 14.695, - 2018 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2019)).
Che cosa sono le macchine e i motori molecolari? E come metterli in funzione?
Le macchine e i motori molecolari sono le macchine prodotte sulla piu’ piccola scala possibile, cioè sulla scala molecolare – spiega la Prof.ssa Comotti. - Per produrli, abbiamo bisogno di alcuni ingredienti: un materiale solido che supporti un gran numero di macchine molecolari, perchè assumano una funzionalità collettiva, l’esistenza di elementi facilmente rotanti nel materiale su cui si impernia il moto ed un meccanismo di trasformazione dell’energia in moto molecolare unidirezionale. Dati questi principi, sono state realizzate macchine ancora più piccole delle dimensioni delle cellule biologiche e di alcuni sistemi biologici di membrana, come la pompa protonica.
Qual è la novità di questo studio?
La sfida attuale è di ottenere il moto rotatorio in strutture organizzate ed ordinate come i cristalli ed attivare i motori molecolari da forme di energia largamente disponibili con un processo energeticamente sostenibile – continua Angiolina Comotti. - Entrambi questi risultati sono stati raggiunti integrando in una struttura cristallina periodica un motore molecolare e una molecola capace di catturare la luce solare, simile a quella presente nella clorofilla. Il motore molecolare, come tale, funzionerebbe con radiazioni di piu’ alta energia, che pregiudicherebbe il suo funzionamento in condizioni ambientali. L’integrazione ordinata dei due componenti con la formazione di legami stabili, ha prodotto un solido complesso capace di assorbire luce e produrre movimento molecolare unidirezionale, con la prospettiva di fabbricare attuatori azionati dalla luce.
Come si colloca questa scoperta nel panorama internazionale?
Lo sviluppo di macchine e motori molecolari artificiali ha permesso la progettazione e costruzione di architetture in grado di svolgere moti controllati sulla scala nanometrica. Tra questi sistemi artificiali, i motori molecolari che contengono un gruppo alchene hanno attratto molta attenzione in quanto la loro chiralità, controllata fotochimicamente, guida il moto rotatorio unidirezionale. Sebbene sia stato dimostrato che queste molecole svolgano varie funzioni in soluzione, per esempio il controllo stereochimico di reazioni catalitiche, i moti Browniani impediscono l’azione cooperativa richiesta per ottenere funzioni sulla macroscala allo stato solido. Inoltre i motori molecolari suddetti tipicamente vengono stimolati da luce ultravioletta ad alta energia che puo’ causare processi fotochimici distruttivi.
Con questa ricerca, abbiamo dimostrato come sia possibile costruire una nuova architettura supramolecolare che svolge la doppia funzione sia di raccolta della luce che di trasferimento dell’energia al motore molecolare, inducendo il moto rotatorio. La disposizione ordinata dei due cromofori nel materiale cristallino motorizzato porta ad un efficiente trasferimento dell’energia con fotoisomerizzazione chimica del motore molecolare, stimolata a partire da luce verde della lunghezza d’onda di 530 nm.
La scoperta apre nuove prospettive per future applicazioni, per esempio membrane e pompe molecolari per accelerare il flusso di gas o in combinazione con reattori chimici miniaturizzati per accelerare l’ingresso di reagenti e l’uscita di prodotti, alimentati dalla luce visibile non invasiva.