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inceneritori entrano accidentalmentenel nostro corpo, sembra ci sia unmeccanismo preesistente che possapresiedere al rilascio verso organivitali, come se il corpo si comportassecome un sistema aperto ad ognieffetto tossico. La probabile ragionedi questa mancanza di difesa sta nelfatto che tali particelle non facevanoparte dell’ambiente primordiale,vivendo nel quale l’uomo ha svilup-pato il proprio sistema di difesa.C’è considerevole evidenza, e in qual-che caso vera e propria dimostrazio-ne, che le nanoparticelle inalate pos-sono accedere anche al flusso sangui-gno e da questo trasportate ai vari

organi. Una domanda importante cheancora aspetta una risposta riguardoè se le nanoparticelle assimilate dalledonne in gravidanza siano o no bio-disponibili al feto e, se si, con qualeconseguenza. Infine, non c’è da con-solarsi del fatto che, poiché le prove egli esperimenti vengono realizzaticon dosaggi elevati, i danni siano pre-vedibili solo in corrispondenza diquesti: la storia dell’amianto ci inse-gna il contrario. In conclusione pos-siamo affermare che c’è evidenzadella possibilità delle nanoparticelledi penetrare il nostro corpo attraver-so differenti vie e della loro tossicitàcon conseguenti rischi, in particolare

per donne in gravidanza e perambienti di lavoro.Gli aspetti positivi in farmacologia diquesto processo non devono fardimenticare quelli altamente negativiche ci obbligano a fare il possibile perabbattere il numero delle particellenon necessarie, particolarmentequelle insolubili. Un aspetto impor-tante riguarda la caratterizzazionechimica accanto a quella fisica: valu-tazioni tossicologiche ed ecotossico-logiche di nanoparticelle sconosciuterisultano pertanto fondamentali peracquisire una corretta e completainformazione del rischio che da essepuò derivare all’uomo.

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Perchè la chimicaè importante, utile e bella

di VINCENZO BALZANI, ALBERTO CREDI, MARGHERITA VENTURIDipartimento di Chimica "G. Ciamician", Facoltà di Scienze M.F.N., Università di Bologna

» Introduzione

E' difficile immaginare una qualsiasimanifestazione della nostra vita quo-tidiana in cui la chimica non sia inqualche modo coinvolta [1]. Tutto,infatti, attorno a noi ed in noi, è chi-mica: è attorno a noi nei fenomeninaturali indispensabili per la vita,come la fotosintesi, e nei prodottiartificiali di primaria importanza perla civiltà, come i farmaci, i fertilizzanti,le materie plastiche, i semiconduttoried i detergenti; è in noi perché il fun-zionamento o il mal funzionamentodel corpo umano è regolato da rea-zioni chimiche.La vita è chimica in azione. Senza faredel riduzionismo, si può dire che tutte

le manifestazioni della vita, compresequelle che chiamiamo categoriementali (l'apprendimento, la memo-ria, il pensiero, l'esperienza e i sogni)sono, in ultima analisi, il risultato direazioni chimiche, sia pure così com-plesse da non poter essere, almenoper ora, interpretate.Per capire l'intima essenza dei feno-meni che avvengono attorno a noied in noi, occorre scendere a livelloatomico e molecolare.Ad esempio, per capire come real-mente avviene il processo fotosinte-tico naturale bisogna scendere giùnel piccolo, come in una "zoom-mata", dall'albero (dimensioni dell'or-dine del metro) alle foglie (10 cm x0,3 mm), alle cellule (50 mm), ai cloro-

plasti (5 mm), ai grani (200 nm), finoad arrivare a "congegni" costituiti daun certo numero di componentimolecolari assemblati in modoopportuno. È infatti a questo livello,cioè a livello molecolare, che avvienel’assorbimento della luce da partedella materia con il quale ha inizio ilprocesso fotosintetico.Le molecole sono le più piccole enti-tà della materia con composizioneben definita e forma propria. Adesempio, la molecola d'acqua, H2O, ècostituita da due atomi di idrogeno(H) legati ad un atomo di ossigeno(O), ha geometria piegata e dimen-sioni inferiori al nanometro (1 nano-metro = 10-9 metri).Oggetti di così piccole dimensioni

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sfuggono alla nostra quotidianaesperienza e alle comuni indaginisperimentali, tanto che è difficile nonsolo accettarne l'utilità, ma anche,addirittura, credere nella loro realeesistenza. Goethe, ad esempio, dicevache la scienza deve essere a scalaumana e si opponeva all'uso delmicroscopio affermando che ciò chenon si può vedere a occhio nudo nondeve essere cercato, perché evidente-mente è nascosto all'occhio umanoper qualche buona ragione. Questaaffermazione è contraria alla logicadella scienza che, soprattutto negliultimi anni, ha spinto le sue indaginisempre più verso il "piccolo", nonsolo per conoscere meglio la Natura,ma anche per sfruttare, da un puntodi vista tecnologico, i vantaggi che nepossono derivare.Anche se, prese singolarmente, nonpossono essere né viste, né pesate,né misurate, le molecole non hannosegreti per i chimici che da oltre cen-t'anni hanno imparato a caratteriz-zarle, a distinguerle, a conoscerleattraverso le loro proprietà collettivee ad usarle. Oggi, poi, con i più recen-ti progressi della scienza, è possibile"vedere" (tramite immagini ottenutecon dispositivi elettronici, Figura 1[2]) e persino "toccare" (con punteultrasottili) singole molecole, tantoda riuscire ad utilizzarle come mezzoper una "nanoscrittura" [3].

» Le molecole: le “parole”della chimica

Per capire come è fatta la materia ecos'è la Chimica può essere molto

utile fare un paragone fra chimica elinguaggio (Figura 2) [1].Ogni linguaggio è basato su lettere,una ventina nella lingua italiana (a, b,c, ecc.), raccolte in un alfabeto. Le let-tere della chimica sono gli atomi (H,O, C, ecc., circa un centinaio), e l'alfa-beto della chimica è la TavolaPeriodica. Le lettere dell'alfabeto sipossono combinare in gruppi, secon-do una logica inventata dall'uomo: siottengono, così, le parole. La stessacosa accade per gli atomi: combinan-do gli atomi secondo regole impostedalla natura (il legame chimico), siottengono le molecole, che sonoquindi le parole della chimica. Comeci sono parole corte (cioè fatte dipoche lettere) e parole lunghe, così cisono molecole fatte di pochi atomi(come la molecola d'acqua, che ha

due atomi di idrogeno e uno di ossi-geno, H2O) e molecole grandi (comel’acido oleico, C18H34O2, formato da54 atomi, o come l’emoglobina,C2954H4516N780O806S12Fe4, che èaddirittura formata da 9072 atomi).Una prima conclusione, allora, è che ilmondo è fatto di molecole, così comeil linguaggio è fatto di parole.Con una sola parola, però, non è possi-bile esprimere un concetto; nel lin-guaggio, infatti, le parole vengonocombinate per comporre le frasi. Lastessa cosa avviene in chimica: unamolecola non è sufficiente per com-piere una funzione,mentre ciò è possi-bile quando le molecole si organizza-no in sistemi chiamati supermolecole.Andando avanti con questo parallelo,in modo molto grossolano e quasiper gioco, si può passare a sistemi piùcomplessi, e quindi paragonare unparagrafo ad un enzima, un capitolodi un libro a un mitocondrio, un libroad un protozoo, una collana di libriad un animale poco evoluto ed infi-ne, un'intera biblioteca ad un uomo.Arrivati a questo punto ci si può chie-dere se ci sono più lettere in unabiblioteca o atomi in un uomo. Labiblioteca di Parigi, che è forse la piùgrande del mondo, contiene circa 10milioni di volumi, per un totale dicirca 1013 lettere (cioè, diecimilamiliardi di lettere). Il numero di atomi

FIGURA 2

FIGURA 1

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contenuto nel corpo di un uomo èdell'ordine di 1028, che è un numerocentomila miliardi di volte più gran-de del precedente. E' facile a questopunto capire che il paragone biblio-teca-uomo è certamente irriverenteper l'uomo anche sul piano pura-mente quantitativo, in quanto ilnumero di atomi contenuti nel corpodi un uomo è pari al numero di lette-re che si trovano in un milione dimiliardi di biblioteche.Anche se quantitativamente irrive-rente il paragone biblioteca-uomonon è banale. Infatti, come le letterecontenute nelle biblioteche nonsono messe a caso, bensì ordinate inparole, frasi, paragrafi, capitoli, volumie collane al fine di esprimere infor-mazioni e concetti, così gli atomi delcorpo umano sono ben ordinati inmolecole, sistemi supramolecolari,enzimi, cellule e organi per compierele funzioni necessarie alla vita. Il para-gone fra chimica e linguaggio, purnei suoi limiti, ha quindi il pregio difarci capire: (a) che le molecole sonole parole della chimica; (b) che i corpimacroscopici sono costituiti da unnumero incredibilmente grande dimolecole; (c) che gli organismi viven-ti sono sistemi chimici dove unnumero incredibilmente grande dimolecole è disposto in modo altret-tanto incredibilmente ordinato.

» Il chimico ingegnere alivello nanometrico

Un problema sempre più stringentedella tecnologia è quello della minia-turizzazione. Basti pensare, a questoproposito, ai calcolatori dove la ridu-zione delle dimensioni dei compo-nenti permette la costruzione diapparecchi sempre più piccoli e allostesso tempo sempre più potenti.Nella corsa verso la miniaturizzazio-ne (Figura 3) finora si è seguito l'ap-proccio "dall'alto" (top down) lavo-rando, con tecniche speciali, pezzimacroscopici di materiali.Questo approccio "fisico" ha peròlimitazioni intrinseche e pratichequando si vuole scendere a dimensio-ni minori del decimo di micrometro.

Un'alternativa decisamente più pro-mettente per lo sviluppo della nano-tecnologia (cioè della tecnologia alivello dei nanometri) è l'approccio"dal basso" (bottom up) che partedalle molecole. I chimici, per la naturastessa della loro disciplina, sono nellaposizione ideale per sviluppare que-sto tipo di approccio.Ogni molecola ha proprietà intrinse-che che possono essere viste comeun corredo di "informazione" utilizza-bile nell'interazione con altre mole-cole. Infatti, quando le molecole siincontrano, ciascuna "legge" gli ele-menti di informazione contenutinelle altre e, a seconda di tali elemen-ti, può succedere che dopo l'incontroesse si separino inalterate, oppureche reagiscano con formazione dinuove specie, oppure, ancora, che siassocino dando origine a sistemidetti supramolecolari.L'associazione fra molecole avvienesfruttando il cosiddetto riconosci-mento molecolare, basato su intera-zioni molto specifiche come, adesempio, il legame a idrogeno.Un fatto molto importante è che nelpassaggio dalle molecole ai sistemisupramolecolari possono emergerenuove proprietà, spesso di grandepregio tecnologico; inoltre questeproprietà emergenti, derivando dal-l'integrazione delle caratteristiche edal lavoro cooperativo delle singolemolecole una volta che sono stateorganizzate nella struttura supramo-lecolare, possono essere program-mate scegliendo in modo opportunoi "pezzi" da assemblare. Queste consi-

derazioni sono alla base di uno deipiù ambiziosi progetti che i chimicistanno affrontando e che consistenella costruzione di congegni, dispo-sitivi e macchine a livello molecolarecapaci di svolgere funzioni utili [4,5].Per capire cosa significa congegno omacchina a livello molecolare e lalogica che i chimici intendono segui-re per costruire questi dispositivi,può essere utile un paragone moltosemplice. Per ottenere un'apparec-chiatura del mondo macroscopico(per esempio, un asciugacapelli), l'in-gegnere costruisce dei componenti(un interruttore, un ventilatore, unaresistenza), ciascuno dei quali è ingrado di svolgere un'azione specifi-ca, e poi li assembla in modo oppor-tuno (ad esempio, nell'asciugacapellila resistenza va messa davanti al ven-tilatore, e non dietro). Collegando icomponenti con fili metallici secondouno schema appropriato, si ottieneun'apparecchiatura che, alimentatada energia elettrica, compie una fun-zione utile. Il chimico può procedereallo stesso modo, ma non a livellomacroscopico, bensì a livello moleco-lare. Prima di tutto si tratta di costrui-re molecole capaci di svolgere compi-ti specifici (come fanno, nell'asciuga-capelli, l'interruttore, la resistenza, ilventilatore) e poi di assemblarle instrutture supramolecolari organizza-te, in modo che l'insieme coordinatodelle loro azioni possa dar luogo aduna funzione utile. Si tratta di unavera e propria ingegneria a livellomolecolare.La ricerca in questo campo ha giàpermesso di ottenere tutta una seriedi dispositivi a livello molecolarecapaci di imitare le funzioni compiu-te dai componenti delle odierneapparecchiature macroscopiche: filicapaci di condurre elettroni o ener-gia, interruttori capaci di permettereo proibire il passaggio di questi flus-si, sistemi presa/spina e prolunga,rettificatori di corrente, antenne perla raccolta dell'energia luminosa, ele-menti di memoria, porte logiche, ecc.[5]. Per ragioni di spazio, ci limitere-mo ad illustrare solo alcuni esempi dimacchine molecolari artificiali.

FIGURA 3

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» Macchine molecolari

Le macchine molecolari, dette anchenanomacchine per le loro dimensioninanometriche, sono strutture supra-molecolari costituite da un numerodefinito di componenti molecolari,anche molto grande nel caso di siste-mi biologici, opportunamente sele-zionati ed assemblati in modo dacompiere movimenti meccanici sottol'azione di stimoli esterni [5].Per le macchine molecolari, come perquelle del mondo macroscopico,possono essere individuati alcuniaspetti caratteristici quali: 1) il tipo dienergia usato per fare lavorare lamacchina; 2) il tipo di movimentoeffettuato; 3) il modo con cui i movi-menti possono essere controllati; 4) isegnali che evidenziano i movimentistessi; 5) la necessità di operare inmaniera ciclica e ripetitiva; 6) iltempo impiegato per completare unciclo; 7) la funzione che può derivaredai movimenti compiuti.Nelle macchine a livello molecolare imovimenti meccanici implicano spo-stamenti di elettroni e nuclei e ciòpuò essere ottenuto solo se almenouno dei componenti molecolari dellamacchina è coinvolto in una reazionechimica. Occorre quindi fornire, sottouna qualche forma, l'energia neces-saria (punto 1) per far avvenire la rea-zione chimica alla base del movi-mento meccanico, che (punto 2) puòessere di vario tipo (ad esempio, rota-torio o lineare), ed il cui controllo(punto 3) può essere effettuato conreazioni chimiche antagoniste.I segnali in grado di evidenziare ilfunzionamento della macchina(punto 4) provengono da cambia-menti di proprietà del sistema (adesempio, variazioni di colore) che siverificano durante i movimenti, iquali, per permettere alla macchinadi lavorare in modo ciclico (punto 5),devono coinvolgere reazioni reversi-bili; inoltre, la scala temporale in cui sicompleta un ciclo (punto 6) puòandare dai microsecondi (1 µs = 10-6

s) alle ore, a seconda della natura chi-mica del sistema.Per quanto riguarda, infine, le funzio-

ni ottenibili dal lavoro della macchi-na (punto 7), esse possono essere lepiù varie, come avremo modo divedere in seguito.

» Nanomacchine naturali

La capacità delle molecole ad asso-ciarsi ha permesso di formare inNatura sistemi supramolecolarimolto complessi (gli enzimi) capacidi compiere le funzioni necessariealla vita [6]. Alcuni di questi sistemioperano mediante movimenti mec-canici rotatori o lineari, tanto dapoter essere considerati dei veri epropri motori o macchine di dimen-sioni nanometriche. Anche se l'esi-stenza delle nanomacchine naturali ènota da molto tempo, solo di recentesi è cominciato ad analizzare e capirel'intimo e complesso meccanismodel loro funzionamento.Una delle nanomacchine più studiate

è certamente quella preposta alla sin-tesi dell'adenosintrifosfato (ATP), mo-lecola che fornisce l'energia per lefunzioni vitali.Questo congegno, illustrato nellaFigura 4 [7], ha dimensioni dell'ordinedi 10 nm ed è costituito da un'unità C,formata da proteine ad elica cheattraversano una membrana, e dauna unità γ solidale a C.Quando la concentrazione dei protoniall'interno della membrana è superio-re a quella esterna, si genera un flussodi protoni che causa la rotazione di Ce, come conseguenza, di γ (Figura 4a).Quest'ultima unità agisce come unacamma meccanica che, ruotando,deforma in successione tre siti nelsistema proteico che la circonda, cau-sando, in ognuno di essi, la trasforma-zione di ADP in ATP (Figura 4b).Come per le macchine del mondomacroscopico, così anche per le mac-chine molecolari è possibile ottenere il

FIGURA 4

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movimento meccanico solo se si forni-sce energia. Per la maggior parte dellemacchine del mondo macroscopicol'energia necessaria è prodotta dallareazione fra ossigeno e sostanze adalto contenuto energetico (combusti-bili) che avviene in motori detti a"combustione interna". Ovviamente, lemacchine molecolari, costituzional-mente molto più fragili di quellemacroscopiche, non possono esserealimentate da un motore di questotipo,che lavora ad alte temperature edelevate pressioni; possono però sfrut-tare, analogamente alle macchine delmondo macroscopico, una reazionechimica, purché essa avvenga in con-dizioni blande. Questo, infatti, è pro-prio quello che succede nelle nano-macchine biologiche nelle quali la rea-

zione che genera l'energia necessariaal loro funzionamento procede attra-verso molti stadi successivi, in ciascu-no dei quali è messa in gioco solo unapiccola quantità di energia.Comunque, a parte questa differenza"tecnica", rimane il fatto che sia le mac-chine macroscopiche che quelle biolo-giche funzionano consumando uncombustibile. Questo, inevitabilmente,comporta la formazione di prodotti discarto, la cui eliminazione è condizio-ne necessaria per preservare il buonfunzionamento della macchina.

» Nanomacchine artificiali

L'idea di costruire macchine moleco-lari artificiali è stata avanzata nel1959 da Richard P. Feynman [8],

Premio Nobel per la Fisica, ma evi-dentemente, a quel tempo, la comu-nità scientifica non era pronta perquesta avventura, dal momento chesi sono dovuti aspettare vent'anniper avere i primi concreti tentativi diprogettazione e costruzione di nano-macchine.Poiché la realizzazione di macchinemolecolari artificiali non può cheavvenire con l'approccio chimico dis-cusso in precedenza e poiché si èsubito capito che era impossibile imi-tare la Natura, a causa della suaintrinseca complessità, i semplici pro-totipi fino ad oggi ottenuti sfruttanol'uso del minor numero possibile dicomponenti molecolari.La maggior parte delle attuali ricer-che nel campo delle macchine mole-colari artificiali è concentrata su siste-mi supramolecolari chiamati pseu-dorotassani, rotassani e catenani [9],con i quali è possibile ottenere sem-plici movimenti lineari o rotatori.Di seguito sono illustrati alcuniesempi di nanomacchine basate sutali sistemi, scelti anche per mostrarecome sia possibile utilizzare energialuminosa, chimica o elettrica per faravvenire la reazione responsabile delmovimento [5].

» Macchine artificialibasate su pseudorotassani, rotassani e catenani

Uno pseudorotassano è un sistemasupramolecolare formato da unamolecola ad anello infilata in uncomponente lineare (Figura 5a). Unrotassano può essere immaginatocome formato da uno pseudorotas-sano in cui, all'estremità del compo-nente lineare, sono stati aggiunti duegruppi ingombranti per impedire losfilamento dell'anello (Figura 5bc).Un catenano, infine, è un sistemasupramolecolare formato da duemolecole ad anello incatenate unaall'altra (Figura 5de).In sistemi di questo genere, se accu-ratamente progettati, è possibile,mediante l'uso di opportuni stimolienergetici, mettere in atto movimen-

FIGURA 5

» D A G L I I S C R I T T I1 8 Il Chimico Italiano • n. 3 • lug/ago/set 2004

ti meccanici come quelli mostratinella Figura 5. Al fine di controllaremovimenti di questo genere è, però,necessario che siano verificati quat-tro requisiti fondamentali: (a) il siste-ma deve avere solo due situazionistrutturalmente stabili (ad esempio,per il sistema di Figura 5a le duesituazioni corrispondono ad avere icomponenti associati o separati); (b)una delle due strutture deve esserepiù stabile dell'altra, così da avereuna situazione iniziale in cui è pre-sente una sola struttura (ad esempio,per il sistema di Figura 5a la situazio-ne più stabile è generalmente quellain cui i due componenti sono asso-ciati); (c) con uno stimolo esternodeve essere possibile destabilizzarela struttura iniziale e costringerequindi il sistema a riorganizzarsi nel-l'altra struttura; (d) con un secondostimolo esterno, che a volte è unasemplice conseguenza del primo,deve essere possibile annullare l'ef-fetto destabilizzante e ritornare allastruttura originale.

» Sistema pistone/cilindroazionato dalla luce

Il movimento di sfilaggio/infilaggiodei due componenti molecolari diuno pseudorotassano (Figura 5a)ricorda quello di un pistone in uncilindro ed in Figura 6 è illustrato unesempio reale di sistema in grado dicomportarsi in tal modo [10].Il componente lineare A possiede l'u-nità A1 che ha tendenza ad accettare

elettroni, mentre il componente cicli-co B possiede due unità B1 chehanno tendenza a donare elettroni.In virtù di questa complementarietànelle proprietà chimiche, i due com-ponenti, quando sono messi nellastessa soluzione, si associano sponta-neamente dando origine alla struttu-ra di tipo pseudorotassano.Si può notare che il componentelineare contiene anche un'altra unità,il complesso metallico A2, che nongioca alcun ruolo nell'associazione,ma che costituisce il "motore a luce"del sistema. Infatti, quando il sistemaviene illuminato con luce di opportu-na lunghezza d'onda, l'assorbimentodi un fotone da parte dell'unità A2causa il trasferimento di un elettroneda A2 (che si ossida) ad A1 (che siriduce). L'unità A1 perde così la suaproprietà di accettare elettroni e nonè più in grado di interagire con leunità elettron donatrici B1 del com-ponente ciclico. In altre parole, l'ecci-tazione fotonica distrugge l'intera-zione che tiene associati i due com-ponenti, inducendo il movimento disfilaggio.Si deve, però, notare che tale proces-so, essendo relativamente lento, puòavvenire solo se nella soluzione èpresente una sostanza Red che cedeun elettrone all'unità A2, non appenaquesta ha trasferito un elettroneall'unità A1.In caso contrario, l'elettrone acquista-to dall'unità A1 tornerebbe moltovelocemente sull'unità A2 conimmediato ripristino dell'interazione

donatore-accettore che mantieneassociati i due componenti.Il ri-infilaggio dei componenti puòessere ottenuto aggiungendo allasoluzione un ossidante Ox (in gene-re, semplicemente ossigeno) che,togliendo ad A1 l'elettrone acquista-to nel processo di riduzione, ripristi-na le sue proprietà elettron accettrici.È importante sottolineare che in que-sto sistema il movimento meccanicoè indotto dalla luce, ma sono anchenecessarie due sostanze chimiche,Red e Ox, per far sì che avvenga ilciclo completo di sfilaggio e ri-infi-laggio, con inevitabile formazione diprodotti di scarto (Prod).Più recentemente è stato realizzatoun sistema pistone/cilindro il cui fun-zionamento, essendo esclusivamen-te "guidato" da impulsi luminosi, noncomporta la formazione di prodottidi scarto [11].

» Una navetta azionata daenergia chimica

Il movimento dell'anello di un rotas-sano lungo il filo (Figura 5c) corri-sponde, a livello molecolare, al movi-mento di una "navetta" (in inglese,"shuttle") lungo un binario. Un esem-

FIGURA 7FIGURA 6

D A G L I I S C R I T T I « 1 9Il Chimico Italiano • n. 3 • lug/ago/set 2004

pio di questo tipo è rappresentatodal rotassano di Figura 7 [12], forma-to dall'anello C e dal componentelineare D in cui sono presenti dueunità distinte, D1 ed D2; la prima ècostituita da un ammonio seconda-rio, che può essere deprotonatoreversibilmente ad ammina, mentrela seconda è formata dalla stessaunità elettron accettrice vista nell'e-sempio precedente.Queste unità rappresentano duepotenziali "stazioni" per l'anello C, dalmomento che esso può interagire siacon D1, grazie alla formazione dilegami ad idrogeno, sia con D2,dando un'interazione di tipo elettrondonatore/elettron accettore.Poiché il primo tipo di interazione èpiù forte del secondo, l'anello si trovainizialmente sulla stazione D1. Se,però, alla soluzione contenente ilrotassano viene aggiunta una base,l'unità ammonio D1 si deprotona,perdendo così la sua capacità di for-mare legami ad idrogeno con l'anello.Come conseguenza, l'anello C si spo-sta sulla stazione D2, con la quale puòdare interazioni elettron dona-tore/elettron accettore. Se, a questopunto, si aggiunge alla soluzione unacido, si ricostituisce l'unità ammonioD1 e l'anello trova conveniente torna-re su questa stazione con la quale è ingrado di interagire più fortemente.Il movimento alternato di C da D1 aD2 può essere ripetuto molte volteperché la reazione acido/base che logoverna è perfettamente reversibile;l'unica limitazione deriva dal fatto chele successive aggiunte di base e diacido comportano la formazione di

sostanze che, alla lunga, compromet-tono il funzionamento del sistema.Recentemente i concetti che stannoalla base del funzionamento di que-sto sistema sono stati utilizzati percreare una macchina molecolaremolto più complessa (“MolecularElevator” [13], poi ribattezzato“Nanospider”, Figure 8).Questo risultato è stato evidenziatoanche dalla stampa non scientifica[14] nazionale ed internazionale.

» Rotazione di un anelloazionata da energiaelettrica

In catenani appositamente progetta-ti, è possibile far ruotare un anellorispetto all'altro (Figura 5d) ma, perfar sì che questo movimento sia con-trollabile, occorre che almeno uno

dei due anelli del catenano sia nonsimmetrico, come è appunto il casodel sistema illustrato nella Figura 9[15]. Tale catenano è costituito dall'a-nello E, che contiene due unità E1uguali ed elettron accettrici, e dall'a-nello F, che contiene due unità elet-tron donatrici diverse, F1 ed F2, conF1 più forte di F2. La struttura inizial-mente stabile è quella in cui l'unitàF1 è contenuta all'interno dell'anelloE, così da poter interagire conentrambe le unità accettrici di que-st'ultimo. Per far ruotare l'anello, ènecessario destabilizzare questastruttura e ciò può essere ottenutocon uno stimolo elettrochimico che,togliendo un elettrone all'unità F1(cioè ossidandola), annulla la sua pro-prietà di donare elettroni. La struttu-ra più stabile diventa, allora, quellacon l'unità F2 all'interno dell'anello E,situazione che viene raggiunta perrotazione di 180° dell'anello F. Se, aquesto punto, sempre mediante unostimolo elettrochimico, viene restitui-to l’elettrone all'unità F1 precedente-mente ossidata (cioè viene ridotta),essa riacquista le sue caratteristicheelettron donatrici e, di conseguenza,l'anello F ruota nuovamente ripor-tando il sistema alla struttura iniziale.

» Nanomacchine e logicaa livello molecolare

Le macchine molecolari artificiali dis-

FIGURA 9

FIGURA 8

» D A G L I I S C R I T T I2 0 Il Chimico Italiano • n. 3 • lug/ago/set 2004

cusse negli esempi sopra riportatisono interessanti non solo per il loroaspetto meccanico, ma anche dalpunto di vista della logica [16].Essi, infatti, possono esistere in duestati distinti e convertibili medianteimpulsi esterni di natura luminosa,chimica o elettrica. Su questi sistemi,dunque, si possono "scrivere" infor-mazioni secondo una logica binaria.Lo stato in cui si trova il sistema, d'al-tra parte, può essere "letto" facilmen-te poiché alcune sue proprietà (adesempio, assorbimento od emissionedi luce di specifica lunghezza d'onda)cambiano drasticamente nel passag-gio da uno stato all'altro. Questo valeanche per sistemi molecolari bistabi-li di tutt’altro tipo come ad esempiole molecole fotocromiche [17].Alcuni scienziati vedono in queste edin altre ricerche collegate i primipassi verso la costruzione di unanuova generazione di computer(computer chimici) che, basandosi sucomponenti di dimensioni nanome-triche, potrebbero offrire prestazionimolto superiori a quelle dei calcola-tori oggi in uso.La cosa, forse, non stupisce più ditanto, se si pensa alle capacità diquello speciale (e forse inimitabile)computer chimico, chiamato cervel-lo, di cui ogni individuo è dotato.

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[10] P. R. Ashton,V. Balzani, O. Kocian, L. Prodi,N. Spencer, J.F. Stoddart, J. Am. Chem.Soc., 120, 11190-11191 (1998).

[11] V. Balzani, A. Credi, F. Marchioni, J. F.Stoddart, Chem. Commun., 1860-1861(2001).

[12] P.R. Ashton, R. Ballardini, V. Balzani, I.Baxter, A. Credi, M.C.T. Fyfe, M.T. Gandolfi,M. Gomez-Lopez, M. V. Martínez-Díaz, A.Piersanti, N. Spencer, J.F. Stoddart, M.Venturi, A.J.P. White, D.J. Williams, J. Am.Chem. Soc., 120, 11932-11942 (1998).

[13] J.D. Badji, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J. F.Stoddart:“A Molecular Elevator”, Science,303, 1845-1848 (2004).

[14] Si veda, ad esempio, Il Sole 24 Ore del19 marzo 2004.

[15] M. Asakawa, P. Ashton, V. Balzani, A.Credi, C. Hamers, G. Mattersteig, M.Montalti, A.N. Shipway, N. Spencer, J. F.Stoddart, M.S. Tolley, M. Venturi, A. J. P.White and D. J. Williams, Angew. Chem.Int. Ed., 37, 333-337 (1998).

[16] V. Balzani, A. Credi, M.Venturi:“MolecularLogic Circuits”, ChemPhysChem, 3, 101-111 (2003).

[17] a) A. P. de Silva, N. D. McClenaghan,Chem. Eur. J. 2004, 10, 574. b) F. M.Raymo, Adv. Mat. 2002, 14, 401. (c) F.Pina, M.J. Melo, M. Maestri, P. Passaniti, V.Balzani, J. Am. Chem. Soc., 122, 4496-4498 (2000). (d) Molecular Switches, B.L.Feringa ed., Wiley-VCH, Weinheim,(2001).

DIDASCALIE DELLE FIGURE

Figura 1. (a) Immagine ottenuta con la tec-nica della microscopia a scansione variabiledi molecole di esa-tert-butildecaciclene; (b)rielaborazione ottenuta al computer chemeglio evidenzia la forma delle molecole.(Figura ripresa e modificata da Science,1999, vol. 283, p. 1683).

Figura 2. Parallelismo fra il linguaggio e lachimica; da un numero discreto di semplicielementi (le lettere per il linguaggio, gliatomi per la chimica) nasce un'incredibilecomplessità.

Figura 3. I due diversi approcci alla miniatu-rizzazione.

Figura 4. (a) Illustrazione schematica della"macchina rotante" naturale che presiedealla sintesi dell'adenosintrifosfato (ATP) apartire da "ingredienti" (adenosindifosfato,ADP, e fosfato inorganico); (b) particolare(visto dall'alto) che evidenzia come lacamma γ ruotando deforma i tre siti in cuiavviene la sintesi dell'ATP. (Figura ripresa emodificata da Chemistry in Britain, settem-bre 2000, p. 34).

Figura 5. Alcuni esempi di semplici movi-menti che possono essere ottenuti in siste-mi supramolecolari di tipo pseudorotassa-no, rotassano e catenano.

Figura 6. Movimento pistone/cilindro inuno pseudorotassano azionato dalla luce.Red e Ox sono rispettivamente un riducen-te ed un ossidante; Prod rappresenta gene-ricamente i prodotti di scarto legati al fun-zionamento della macchina.

Figura 7. Una "navetta" molecolare azionatada protoni.

Figura 8. Un prototipo di ascensore mole-colare. Il sistema, che ha un diametro di 3,5nm, è costituito da due componenti mole-colari legati meccanicamente fra loro comele parti di un ingranaggio.Il primo componente è una sorta di telaio atre rami (in grigio e azzurro nella figura)costituito da atomi di carbonio, idrogeno eazoto, mentre il secondo componente (inrosso) è una piattaforma composta da atomidi carbonio, idrogeno e ossigeno.Cambiando l’acidità della soluzione, la piat-taforma si muove, rispetto al telaio, in “giù“ ein “su”, proprio come avviene in un ascenso-re, coprendo una distanza di 0,7 nm.Tale macchina molecolare è potenzialmentein grado di sviluppare una forza di circa 200pN (1 pN = 10-12 N), un valore maggiore nonsolo di quelli prevedibili per i precedentiprototipi di macchine molecolari artificiali,ma anche di quelli tipici dei motori moleco-lari del mondo biologico basati su proteine.

Figura 9. Movimento di rotazione di unanello controllato da stimoli elettrochimici.