Dalle molecole alle macchine molecolari

La Chimica non è quella “cosa” malvagia dalla quale ci dicono di stare alla larga; non è neppure quella materia scolastica astrusa che turba i sonni di molti studenti che hanno insegnanti privi di motivazioni e di entusiasmo. La Chimica è una scienza centrale (Figura 1): è in stretto contatto con la fisica, è il fondamento di discipline emergenti come la scienza dei materiali e l’ecologia, ha dato nuove prospettive alla biologia che, nella sua versione più avanzata, prende il nome di biologia molecolare e che, a sua volta, ha rivoluzionato il campo della medicina. Senza la chimica non si possono trovare soluzioni ai quattro grandi problemi dell’umanità: alimentazione, energia, informazione, salute/ambiente. La Chimica è una scienza importante, utile e bella che offre ai ricercatori grandi opportunità per manifestare la loro creatività.

I costituenti fondamentali di tutte le sostanze esistenti in Natura o prodotte dall’uomo sono gli elementi raccolti nella Tavola Periodica (Figura 2). Sono circa un centinaio e i loro nomi e simboli in molti casi ci sono familiari: idrogeno (H), ossigeno (O), carbonio (C), azoto (N), ecc. La più piccola particella di un elemento è il suo atomo. Gli atomi sono oggetti piccolissimi: hanno dimensioni inferiori al nanometro, che è la miliardesima parte del metro. Gli atomi non se ne stanno isolati, ma tendono a combinarsi dando origine alle molecole, che sono gli attori materiali più importanti nel mondo che ci circonda. Per conoscere come è fatto e come funziona il mondo bisogna quindi conoscere la Chimica, la scienza che studia  e crea le molecole.

La sostanza che chiamiamo acqua è un insieme di molecole, ciascuna delle quali è costituita, come quasi tutti sanno, da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, H₂O. Altri esempi di molecole: ammoniaca, NH₃; metano, CH₄; alcol etilico, C₂H₆O; glucosio, C₆H₁₂O₆; caffeina, C₈H₁₀O₂N₄. Il chimico, almeno nel caso delle molecole più semplici, usa formule che mostrano chi è legato a chi, oppure modelli tipo lego, ingranditi cento milioni di volte rispetto alle dimensioni reali (Figura 3). Per capire la chimica bisogna tenere assieme due concetti: le molecole sono piccole, incredibilmente piccole, ma sono “oggetti” (Figura 4) che hanno una loro dimensione, composizione, struttura, forma e, quindi, proprietà specifiche: l’acqua disseta, l’ammoniaca ha un odore sgradevole, il metano brucia nel fornello (con l’ossigeno), la caffeina ci tiene svegli.

Per rendersi conto di quanto piccole siano le molecole, è sufficiente un esempio: in una goccia d’acqua ci sono circa 10²¹ molecole: per contarle al ritmo di una al secondo, impiegheremmo trentamila miliardi di anni!  Poiché le stelle in cielo sono circa 10²³, in cento gocce d’acqua ci sono tante molecole quante sono le stelle in cielo! Le molecole sono così piccole che una molecola singola non si vede neppure al microscopio. Goethe diceva che se c’é qualcosa che non si può vedere ad occhio nudo, non si deve andarla a vedere, perché evidentemente è nascosta per qualche buona ragione. Questo è l’esatto contrario di quello che pensano gli scienziati oggi, che per “vedere” la forma delle molecole hanno inventato tecniche speciali come l’Atomic Force Microscopy.

Quello delle molecole è un mondo misterioso e affascinante. Nel suolo, nei mari, nell’aria, negli organismi vegetali e animali, si trovano non solo un numero incredibile di molecole, ma anche una grande varietà di tipi molecolari. Per lungo tempo il ruolo della Chimica è stato essenzialmente quello di scoprire come sono fatte le molecole che costituiscono le sostanze naturali e capire quali sono le loro proprietà. Poi, a mano a mano che sono stati svelati i segreti della Natura, i chimici si sono accorti di poter sintetizzare in laboratorio molecole, di ogni foggia e dimensione, che non esistono in Natura (molecole artificiali). Pertanto, al chimico esploratore della Natura si è affiancato, sempre più frequentemente, il chimico inventore. Si dice quindi giustamente che la Chimica è un “libro” non soltanto da ”leggere”,  (molecole e processi naturali), ma anche da “scrivere” (molecole e processi artificiali) (Figura 5). La Chimica, quindi, giocherà un ruolo importante nel nostro futuro perché c’é ancora tanto da scoprire nel libro della natura che ci ha affidato il Creatore e ancor più da scrivere  nelle pagine bianche che ci sono state messe davanti perché le riempiamo con la creatività che ci è stata data; naturalmente, dobbiamo farlo con saggezza e questo è un discorso che meriterebbe di essere approfondito.

La sempre crescente capacità della Chimica di fornire molecole “su ordinazione” ha aperto nuove prospettive in vari campi della scienza e della tecnologia.

Fin dagli albori della civiltà l’uomo ha operato su materiali di vario tipo lavorandoli e forgiandoli per ottenere oggetti utili. Da innumerevoli anni gli ingegneri costruiscono dispositivi e macchine assemblando componenti macroscopici secondo idee e progetti ben definiti (Figura 6a). I chimici hanno sempre aspirato di lavorare come gli ingegneri, utilizzando molecole come componenti per costruire sistemi più complessi (supramolecolari) capaci di svolgere funzioni utili (Figura 6b).  Primo Levi, nel suo romanzo La Chiave a Stella (1978), cercando di spiegare ad un meccanico in cosa consista il mestiere del chimico, sottolinea le difficoltà, apparentemente insormontabili, che ne frenano la creatività: “… è ragionevole arrivarci a poco per volta, montando prima due pezzi soli, poi il terzo e così via. Noi chimici non abbiamo quelle pinzette che sovente ci capita di sognare di notte e che ci permetterebbero di prendere un segmento, di tenerlo ben stretto e diritto, e di incollarlo nel verso giusto sul segmento che è già montato. Se quelle pinzette le avessimo (e non è detto che un giorno non le avremo) saremmo già riusciti a fare delle cose graziose che fin adesso le ha fatte solo il Padreterno, per esempio montare non dico un ranocchio o una libellula, ma almeno un microbo o il semino di una muffa“.

Le “pinzette” che Primo Levi sognava per riuscire, partendo da molecole, a costruire “cose graziose”, non le abbiamo neppure oggi. Negli ultimi 20 anni, però, i chimici hanno capito che per costruire con le molecole sistemi supramolecolari complessi (ma non specie viventi!) capaci di svolgere funzioni utili non è necessario aspettare che qualcuno inventi quelle “pinzette”, che per molti motivi sarebbe poi difficile se non impossibile usare. I chimici, infatti, hanno progressivamente scoperto che, se si vuole costruire con le molecole, si può seguire un’altra strada: inserire “istruzioni” nelle molecole stesse affinché si assemblino spontaneamente o sia possibile costringerle ad associarsi tramite semplici reazioni chimiche. Quando due molecole si incontrano, a seconda delle loro proprietà possono ignorarsi oppure interagire. Usando termini informatici, si può dire che è possibile inserire in una molecola specifici “elementi di informazione”: cavità o protuberanze, cariche elettriche, atomi o gruppi di atomi particolari, capacità di rispondere a stimoli luminosi, ecc. L’insieme di questi elementi di informazione costituisce un “programma” in quanto esprime le potenzialità che la molecola ha di interagire con altre molecole. Quando una molecola incontra (“conosce”) un’altra molecola, l’esito dell’incontro dipende dal “programma” di cui ogni molecola è dotata. Se i due “programmi” non sono compatibili, le due molecole si ignorano; se invece sono compatibili, cioè se le proprietà delle due molecole sono complementari, l’incontro porta ad una associazione.

La ricerca in questo campo ha già permesso di costruire sistemi supramolecolari nei quali le informazioni portate da ciascun componente molecolare si integrano, dando luogo a nuove proprietà (proprietà emergenti) che permettono al sistema di svolgere funzioni utili. Siamo nel campo della nanotecnologia (Figura 7)

In questo modo sono stati così costruiti dispositivi e macchine molecolari di dimensioni nanometriche: ad esempio, fili capaci di condurre elettroni o energia (Figura 8), sistemi presa/spina (Figura 9), prolunghe (Figura 10), sistemi chimici “intelligenti” per elaborare informazioni (memorie temporanee o permanenti, porte logiche, decoder, ecc.) e anche macchine molecolari artificiali, infinitamente più semplici di quelle naturali, capaci di compiere movimenti meccanici (motori lineari, ascensori) sotto l’impulso di stimoli luminosi, chimici od elettrici (Figure 11 e 12).

Chi ignora l’affascinante e misterioso mondo delle molecole non soltanto ha una profonda lacuna scientifica, ma ha perso anche una grande occasione di contemplare la complessità e l’ordine del creato, di cogliere il bello e di emozionarsi. Al giorno d’oggi, non conoscere il mondo delle molecole è un “peccato” altrettanto “grave” quanto non aver mai letto la Divina Commedia.

Per saperne di più:

– V. Balzani, M. Venturi: Chimica! Leggere e scrivere il libro della Natura, Scienza Express, 2012.

– V. Balzani, A. Credi and M. Venturi: Molecular Devices and Machines; Concepts and Perspectives for the Nanoworld, Wiley, 2008.