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Muscoli molecolari
Un altro sviluppo interessante delle navette molecolari basate su rotassani è la costruzione di nanomacchine che possono allungarsi e accorciarsi a comando. Poiché movimenti del genere ricordano l’estensione e la contrazione del sarcomero, l’unità funzionale dei muscoli scheletrici (Fig. 10), tali nanomacchine sono chiamate muscoli molecolari. Il primo tentativo di realizzare un muscolo molecolare risale all’anno 2000, quando Jean-Pierre Sauvage e i suoi collaboratori all’Università di Strasburgo (Francia) applicarono la strategia della navetta molecolare ad un rotassano doppio avente la topologia rappresentata nella Fig. 23 (Jiménez 2000)1Jiménez, M. C., Dietrich-Buchecker, C., Sauvage, J.-P. (2000) Towards synthetic molecular muscles: contraction and stretching of a linear rotaxane dimer, Angewandte Chemie International Edition, 39: 3284-3287..
Fig. 23. Un muscolo molecolare basato su un rotassano doppio. (a) Sintesi del rotassano mediante autoassemblaggio e successiva apposizione dei tappi terminali. (b) Rappresentazione schematica dei movimenti di estensione e contrazione. La variazione di lunghezza Δl ottenuta in tali muscoli molecolari artificiali è pari a circa un nanometro.
Il sistema è composto da due componenti uguali, ciascuno costituito da una porzione filiforme contenente le due stazioni e un anello molecolare ad una estremità. Sfruttando l’autoassemblaggio, i due componenti vengo infilati l’uno nell’altro; apponendo poi due tappi alle estremità libere si ottiene la struttura desiderata (Fig. 23a). Immaginando che la conformazione di partenza sia quella estesa (ciò implica che la stazione principale sia quella più vicina all’anello dello stesso componente, come in Fig. 23), l’applicazione di uno stimolo capace di disattivare la stazione principale dovrebbe causare lo spostamento degli anelli lungo i relativi assi verso la stazione secondaria, causando la contrazione del sistema. La successiva estensione verrebbe azionata da uno stimolo opposto (Fig. 23b).
Gli esperimenti mostrarono che il prototipo costruito da Sauvage, progettato per rispondere a stimoli elettrici, non funziona; probabilmente perché la molecola è nel complesso troppo rigida per subire un cambiamento strutturale così profondo. In seguito altri gruppi di ricerca, fra cui quello di Fraser Stoddart, sono riusciti a sviluppare muscoli molecolari funzionanti, basati sullo schema mostrato nella Fig. 23, controllati da stimoli chimici o luminosi (Bruns 2017)2Bruns, C. J., Stoddart, J. F. (2017) The nature of the mechanical bond: from
molecules to machines, Hoboken: Wiley..
Come vedremo nel Cap. 4, integrando questi muscoli molecolari in polimeri è stato possibile ottenere materiali capaci di compiere movimenti macroscopici.