4.4. Macchine molecolari per convertire l’energia (solare)

Nel Capitolo 2 abbiamo descritto il funzionamento dell’ATP sintasi (Fig. 13). Questa nanomacchina sfrutta la differenza di concentrazione di ioni idrogeno fra due soluzioni separate da una membrana per produrre ATP, una sostanza ad alto contenuto energetico. In pratica, quindi, converte una forma di energia chimica in un’altra. L’impiego di macchine molecolari artificiali per trasformare e immagazzinare energia non è solo interessante dal punto di vista concettuale, ma anche potenzialmente molto importante dal punto di vista applicativo. Alcuni passi significativi in questa direzione sono stati compiuti nel 2015 dal gruppo di Fraser Stoddart alla Northwestern University (USA) e nel nostro laboratorio all’Università di Bologna.

Con un’abile progettazione, Stoddart e collaboratori hanno costruito un filamento molecolare B costituito da un’estremità E capace di infilare e trasferire anelli molecolari A in maniera unidirezionale sfruttando una reazione chimica, una porzione filiforme S priva di stazioni per gli anelli ed un tappo terminale T (Fig. 29a). In seguito a processi di riduzione e ossidazione, causati da reagenti aggiunti alla soluzione in cui si trova la macchina molecolare, gli anelli vengono sospinti lungo il filamento e trasferiti nella porzione filiforme S che funge da “serbatoio”, dove rimangono intrappolati (Cheng 2015)¹. Un sistema del genere si comporta come una vera e propria pompa molecolare che converte l’energia della reazione di ossidoriduzione in un’altra forma di energia chimica, rappresentata dall’elevata concentrazione di anelli molecolari nel serbatoio.

**Fig. 29.** Pompe molecolari per la conversione dell’energia alla scala nanometrica. **(a)** Un sistema che utilizza l’energia di una reazione chimica di ossidoriduzione per “concentrare” anelli molecolari in un “serbatoio” molecolare, ottenendo così una situazione ad elevato contenuto energetico. **(b)** Una pompa molecolare azionata dalla luce. Gli anelli molecolari passano unidirezionalmente ed in maniera continua attraverso il filamento molecolare sotto l’azione di una sorgente luminosa continua, come una comune lampada o il Sole.

Nello stesso periodo nel nostro laboratorio abbiamo costruito una pompa molecolare che sfrutta l’energia luminosa (Ragazzon 2015)². Il sistema (Fig. 29b) è costituito da una soluzione contenente filamenti molecolari X e anelli molecolari Y. Il filamento X contiene un’unità –N=N– (W) – che può cambiare forma (da trans, lineare, a cis, piegata; si veda la Fig. 18) in seguito all’assorbimento di fotoni di luce, una stazione V per l’anello e un gruppo terminale ingombrante Z. Quando il componente W è nella forma trans lineare, l’anello passa sul filamento attraversando W per raggiungere la stazione V. In seguito all’assorbimento di un fotone di luce blu, l’unità W passa alla forma cis molto più ingombrante; di conseguenza l’anello deve abbandonare il filamento attraversando l’estremità Z. Il successivo arrivo di un altro fotone, uguale al precedente, ripristina la forma trans dell’unità W, chiudendo il ciclo. Tale sequenza di processi, e il conseguente transito unidirezionale dell’anello rispetto al filamento, si ripete finché la soluzione è illuminata con luce blu. Va sottolineato che il congegno molecolare, allo stato attuale, dissipa l’energia luminosa senza convertirla in una forma utile, perché gli anelli vengono trasferiti nella stessa soluzione dalla quale sono prelevati. Esso, tuttavia, è potenzialmente in grado di trasformare l’energia solare in energia chimica, se si fa in modo che gli anelli vengano trasferiti fra compartimenti distinti, come nel caso del sistema della Fig. 29a.

Naturalmente la costruzione di macchine molecolari che consentano di sfruttare l’energia solare non è dietro l’angolo. Ci sono molti problemi complessi da risolvere; non ultimo, quello di come utilizzare l’energia chimica accumulata dalle nanomacchine. Il problema è davvero affascinante: si tratta di realizzare una fotosintesi artificiale, che però funziona in maniera profondamente diversa rispetto alla fotosintesi nelle piante e nei batteri. Dato che il futuro della nostra civiltà dipende dalla soluzione del problema energetico, la sfida è troppo importante per non essere raccolta.