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Nano-motori per la salute e l’ambiente

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Adesso è possibile realizzare in laboratorio materiali altamente porosi costituiti da un enorme numero di unità molecolari che si muovono come velocissimi rotori. Questo è il risultato ottenuto dai ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca, guidati da Piero Sozzani, docente di Chimica Industriale.
I rotori molecolari sono elementi in grado di convertire l’energia chimica in forza meccanica e movimento, una proprietà che può essere impiegata in molti ambiti e per la prima volta (precedentemente venivano realizzati allo stato liquido) sono stati individuati in materiali solidi porosi. I ricercatori, utilizzando il silicio, il carbonio e l’ossigeno, hanno realizzato una struttura con la natura chimica del vetro e di un materiale organico, ma organizzata in modo ibrido.
Attraverso la risonanza magnetica nucleare dello stato solido, una tecnica avanzata nello studio dei materiali, è stato poi possibile analizzare l’elevatissima velocità di rotazione dei rotori molecolari, che supera i miliardi di giri al secondo. Immaginiamo un nido d’ape, ma un milione di volte più piccolo rispetto a quello reale, formato da tantissimi canali le cui pareti sono composte da numerose unità molecolari che ruotano ad altissime velocità.
La ricerca, pubblicata su Angewandte Chemie (Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1760 –1764, Fast Molecular Rotor Dynamics Modulated by Guest Inclusion in a Highly Organized Nanoporous Organosilica), apre nuovi scenari nell’ambito delle applicazioni industriali dei materiali porosi e dei motori molecolari, consentendone l’impiego sia in nanomedicina sia nella prevenzione di disastri ambientali. Molti organismi viventi hanno diversi tipi di rotori, motori molecolari e nanocanali specializzati per diversi scopi, come ad esempio il movimento cellulare o il movimento di organelli interni.
«Noi abbiamo realizzato un materiale dotato di queste funzioni che è un analogo sintetico di organismi biologici – afferma il Professore Piero Sozzani -. Tuttavia un effetto assolutamente unico è stata la possibilità di regolare la velocità di rotazione di questi motori nanometrici mediante l’intervento di specie chimiche assorbite, offrendo l’opportunità di modulare con stimoli chimici la specifica funzione. La scoperta deriva dalla combinazione unica di aree di ricerca fino ad ora ben lontane, quella dei materiali porosi ad altissima area superficiale e quella dei rotori e motori molecolari. Dal punto di vista scientifico, crediamo che questo sia un contributo rilevante alla letteratura attuale dove un tema caldo è il raggiungimento di un controllo efficace della dinamica nei solidi».

Applicazioni in ambito medico
Il materiale realizzato dai ricercatori può essere utilizzato per rilascio su comando di farmaci in nano medicina: i rotori, infatti, si comportano come piccole bussole che si orientano in base al campo magnetico (ferroelettricità) o in base all’interazione con micro e radiofrequenze.
I rotori possono quindi essere utilizzati per il rilascio, in modo controllato, di determinati farmaci solo quando particelle nanometriche del materiale hanno raggiunto l’organo o il tessuto che deve essere trattato. Lo stimolo per il rilascio del farmaco può arrivare dall’esterno attraverso, ad esempio, le radiofrequenze. In questo modo sarebbe possibile somministrare una terapia selettiva utile nel trattamento di alcune patologie, come quelle tumorali.

Applicazioni in ambito ambientale ed energetico
I rotori molecolari possono essere utilizzati efficacemente anche nel campo della prevenzione degli incidenti nei grandi impianti industriali o civili. Questi materiali, infatti, possono essere resi specifici verso ciascun gas tossico: le specie assorbite frenerebbero il moto di rotazione dei rotori inseriti nelle pareti dei nanocanali, producendo un segnale rilevabile con le radiofrequenze. I rotori presenti nei canali, in questo caso, non riuscirebbero più a muoversi a causa della presenza di gas e questo comporterebbe l’invio di radiofrequenze verso l’esterno. Nel caso di una fuga di gas, quindi, questi materiali potrebbero essere impiegati per avvisare tempestivamente gli addetti all’impianto.
Essendo caratterizzato da un’altissima area superficiale (1000 metri quadro per grammo) e da un elevato numero di canali liberi, il materiale realizzato dai ricercatori può anche essere sfruttato per intrappolare al suo interno grandi quantità di gas a pressioni ridotte, eliminando la pericolosità delle bombole e contenitori utilizzati abitualmente per il trasporto e lo stoccaggio e prevenendo così possibili esplosioni.
Inoltre sarebbe possibile utilizzarlo nell’ambito della produzione energetica attraverso le biomasse: come la spugna assorbe l’acqua, così questo materiale potrebbe intrappolare il metano o l’idrogeno appena prodotti da fonti rinnovabili.

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