3.5. Movimenti rotatori • Pagina 2 di 2 • 1088press

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Nanomotori rotativi azionati dalla luce

Il primo nanomotore rotativo artificiale fu sviluppato nel 1999 dal gruppo di Ben Feringa all’Università di Groningen in Olanda (Koumura 1999)¹. Esso è azionato soltanto dalla luce ed è illustrato nella Fig. 26. Allo stesso modo dei composti aventi un gruppo –N=N– (Fig. 18), anche quelli che contengono un gruppo –C=C–, (ad esempio lo stilbene, Fig. 26a) possono esistere come isomeri trans e cis. In sistemi di questo tipo l’eccitazione luminosa di uno dei due isomeri – ad esempio, dell’isomero trans – può causare la rotazione di 180° di una delle due unità molecolari rispetto all’altra, con formazione dell’isomero cis. L’eccitazione di quest’ultimo può poi causare il ritorno all’isomero trans iniziale, tramite una successiva rotazione di 180°. In composti semplici come lo stilbene la direzione del moto rotatorio è casuale, per cui non è affatto detto che la trasformazione trans → cis → trans avvenga attraverso una rotazione completa (cioè di 360° nello stesso verso). La trasformazione cis → trans, infatti, può comportare una rotazione di 180° in senso opposto a quello della trasformazione trans → cis, come già discusso a proposito del catenano mostrato in Fig. 24.

Fig. 26. Nanomotori rotativi. (a) Molecole che posseggono il gruppo –C=C–, come lo stilbene, possono esistere in due forme strutturalmente diverse – trans e cis – interconvertibili mediante stimolazione luminosa. (b) La molecola 7 è più complicata, ma è dello stesso tipo dello stilbene; pertanto, può anch’essa esistere nelle forme trans e cis. Il legame in grassetto è proiettato al di sopra del piano del foglio. (c) Grazie ad una accurata progettazione, nella specie 7 l’assorbimento di due fotoni di luce causa la rotazione di 360° di una delle due unità rispetto all’altra. Poiché la rotazione unidirezionale può essere ripetuta più volte mediante l’assorbimento di ulteriori fotoni, 7 funziona come un nanomotore rotativo azionato dalla luce.

In composti contenenti il doppio legame –C=C– opportunamente progettati, tuttavia, si può fare in modo che sia la forma trans che quella cis non siano planari, bensì distorte. Questa particolarità facilita la rotazione in un senso rispetto all’altro, rendendo così possibile ottenere una rotazione completa di un’unità rispetto all’altra con due successivi stimoli luminosi. Un esempio di questo tipo è il composto 7 rappresentato in Fig. 26b, il cui meccanismo di funzionamento è illustrato in maniera schematica in Fig. 26c.

In seguito all’assorbimento di luce, la forma iniziale trans si trasforma in una struttura cis poco stabile perché distorta. Tale struttura può rilassarsi (ovvero diminuire la sua energia) spontaneamente, mantenendo la configurazione cis, attraverso un’ulteriore rotazione. La specie cis stabile così ottenuta può assorbire luce, trasformandosi nella forma trans distorta, che successivamente evolve nella forma trans stabile di partenza, completando la rotazione di 360°.

Negli ultimi quindici anni il funzionamento del motore molecolare 7 e di altri sistemi da esso derivati è stato studiato in grande dettaglio e in un’ampia varietà di mezzi (soluzioni, superfici, cristalli liquidi, polimeri, membrane) (Erbas-Cakmak 2015)².

Come vedremo nella prossima sezione, questa classe di nanomotori rotativi è stata recentemente utilizzata per costruire materiali in grado di contrarsi e di espandersi sotto il controllo della luce.