4.5. Un nanoveicolo 4×4

Finora abbiamo descritto macchine molecolari artificiali il cui funzionamento è stato osservato misurando proprietà collettive, ovvero determinate da un numero molto grande (molti miliardi di miliardi) di molecole, tipicamente contenute in una soluzione. Abbiamo anche visto, però, che al giorno d’oggi, con tecniche opportune, si possono vedere molecole singole (Figg. 3 e 4). La domanda che sorge spontanea è dunque: possiamo azionare e osservare il movimento di una sola macchina molecolare?
A questo proposito, un team di chimici (Ben Feringa e collaboratori all’Università di Groningen) e di fisici (Karl-Heinz Ernst e collaboratori presso il laboratorio federale svizzero per la scienza e la tecnologia dei materiali) ha compiuto un’impresa scientifica davvero spettacolare. I chimici hanno costruito un vero e proprio nanoveicolo (composto 9, Fig. 30a), costituito da quattro motori rotativi del tipo rappresentato nella Fig. 26 montati su un telaio rigido (Kudernac 2011). I fisici hanno poi depositato singole molecole di 9 su una superficie di rame in condizioni di alto vuoto e a bassissima temperatura (–266 °C) e le hanno osservate con un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM).

Fig. 30. (a) Formula di struttura semplificata del nanoveicolo 9. I legami in grassetto sono proiettati al di sopra del piano del foglio, mentre quelli tratteggiati sono sotto il piano. (b) Immagine di una singola molecola di 9 depositata su una superficie di rame, ottenuta con un microscopio a scansione a effetto tunnel in condizioni di alto vuoto a –266 °C. Figura riprodotta per gentile concessione da Nature, vol. 479, pp. 208-211 © 2011 Springer Nature.

Al microscopio STM il nanoveicolo appare come un oggetto a quattro lobi; ciascuno di essi rappresenta un motore molecolare (Fig. 30b). Utilizzando la sonda del microscopio, i ricercatori hanno applicato un potenziale elettrico al nanoveicolo, tale da azionare i motori rotativi (che invece in soluzione vengono messi in moto dalla luce; si veda la Fig. 26); dopo di che, hanno nuovamente registrato l’immagine della molecola. Alcuni dei nanoveicoli osservati si sono spostati direzionalmente sulla superficie, coprendo una distanza di sei nanometri dopo dieci impulsi di eccitazione. Questo comportamento è spiegabile soltanto ammettendo che la propulsione sia dovuta all’interazione fra la superficie metallica e le ruote del nanoveicolo messe in rotazione dallo stimolo elettrico. Poiché ogni ruota è collegata ad un motore indipendente, ci troviamo di fronte ad un nanoveicolo 4×4.

Questo studio rappresenta senza dubbio una pietra miliare nel campo delle macchine molecolari artificiali, non solo per il suo contenuto scientifico, ma anche per l’elevato valore simbolico e l’impatto sull’immaginazione delle persone. Non è un caso che il nanoveicolo sia stato messo in evidenza nel poster del Premio Nobel per la Chimica 2016 (Fig. 17).