Macchine e dispositivi

Macchine Molecolari
Macchine e dispositivi
• Dispositivo: strumento inventato per
svolgere una determinata funzione
• Macchina: combinazione di meccanismi
per l’utilizzo, la modificazione,
l’applicazione o la trasmissione di energia
• Dispositivo molecolare: molecola o insieme
organizzato (assembly) di molecole in grado di
svolgere una determinata funzione
• Macchina molecolare: dispositivo molecolare in
cui la posizione di alcune parti può cambiare in
seguito ad uno stimolo esterno
Macchine Molecolari
Macchine e dispositivi molecolari in natura
Replicazione del DNA
Sintesi dell’ATP
Fotosintesi
Muscoli
Macchine Molecolari
Miniaturizzazione
Miniaturizzazione
Nuove tecnologie
Nanosistemi
Nanofabbricazione: top-down
Mulino a palle
Circuiti integrati (45 nm e meno)
Nanolitografia
Nanosistemi
Nanofabbricazione: top-down
Dip-pen litography
Focused ion beam
Macchine Molecolari
Bottom-up
O
N
H
H
O
H
H
N
O
N
O
N
N
H
H
N
N
H
N
H
N
N
N
H
O
O
H
N
N
N
H
N
H
O
N
N
H
N
H
N
H
N
H
H
O
N
N
N
CHIMICA SUPRAMOLECOLARE
N
N
N
H
O
H
N
H
O
N
H
H
N
N
O
N
H
N
H
O
Macchine Molecolari
Top-down vs Bottom-up
Macchine Molecolari
Eteri corona: non solo cationi metallici
O
O
O
N
O
O
H
H
H
O
O N O
H
O H
H O
O
O
Gli eteri corona sono in grado di riconoscere anche cationi organici quali ioni ammonio
utilizzando legami ad idrogeno:
O
O
O
O
O
O
N
H
H
O N O
H
O
H O
O
O
Usando molecole organiche invece che ioni metallici possiamo giocare con la forma!
Macchine Molecolari
Ago e filo: threading and unthreading
O
O
O
O
O
O
O
N
H
H
O N O
H
O
H O
O
O
base
acido
O
O
O
N
H
O
O
Pseudo-rotassano
threading
unthreading
L’aggiunta successiva di un acido e una base ad una soluzione di 18-corona-6 e
dipropilammina produce un movimento molecolare controllato.
Non è ancora una macchina perché non controlliamo la direzione del processo.
Macchine Molecolari
Ago e filo: threading and unthreading
Macchine Molecolari
Ago e filo: threading and unthreading
Macchine Molecolari
Altre interazioni per i rotassani
Un sistema aromatico elettron-povero (accettore) ed uno ricco di elettroni (donatore)
producono una forte interazione attrattiva di stacking
N
O
O
O
O
O
O
N
O
O
N
O
O
O
O
O
O N O
O
Macchine Molecolari
Due fili e un ago
L’interazione di stacking aromatico è più debole del legame a idrogeno: cosa succede
se mescolo un ago a due fili?
O
O
O
O
O
O
O
N
O
O
O
H N H
O
O
O
O
O
O
N
N
N
H
H
Solo il filo con l’ammonio viene riconosciuto dal macrociclo.
N
Macchine Molecolari
Due fili e un ago
Aggiungendo una base, il filo con l’ammonio non è più riconosciuto dal macrociclo:
esce e viene sostituto da filo con i gruppi aromatici poveri di elettroni.
N
O
O
N
O
O
H N H
O
O
O
O
N
base
acido
O
O
O
O
O
O N O
O
N
H
Il movimento di threading-unthreading si trasforma in dislocazione molecolare.
Macchine Molecolari
Motore a pH
Spaziatore
Tappo
N
H2
N
Tappo
Asse
N
Ammonio: stazione 1
O
O
Viologeno: stazione 2
O
O
O
O
O
O
Ruota
Macchine Molecolari
Motore a pH
O
Nel rotassano appena assemblato, la ruota si trova
in prossimità della stazione 1. In seguito
all’aggiunta di base, la ruota si sposta nella
stazione 2, se si riaggiunge acido la ruota torna
nella stazione 1.
O
O H2 O
N
N
O
O
O
N
O
Base
Acido
O
H
N
N O
O
O
O
O
O
O
N
Macchine Molecolari
Motore a pH
Il movimento della ruota segue un andamento a 4 tempi che può essere seguito con
esperimenti NMR
Macchine Molecolari
La costruzione del motore
La costruzione di un rotassano può avvenire per
assemblaggio di uno pseudo-rotassano seguito
dal bloccaggio delle estremità.
Oppure si può assemblare la ruota intorno ad un
asse preformata.
Macchine Molecolari
Altre soluzioni
La protonazione altera
le proprietà di stacking
La protonazione altera
le proprietà di H-bonding
Macchine Molecolari
L’ascensore molecolare
Macchine Molecolari
Motore elettrochimico
Il tetratiofulvalene può subire successive ossidazioni e riduzioni in modo reversibile
N
N
S
S
S
N
N
Ruota di-viologeno: elettron-povera
Tetratiofulvalene: elettron-ricco,
redox attivo
N
N
N
N
S
N
-e -
S
S
S
S
+eN
N
N
S
S
S
S
Macchine Molecolari
Motore elettrochimico
O
O
O
O
O
O
N
O
O
O
O
O
O
N
O
O
S
S
S
S
+eO
O
O
O
N
O
O
N
-e-
O
N
O
O
O
O
O
N
O
N
O
O
O
O
N
O
O
S
S
S
S
O
O
O
Macchine Molecolari
Motore a luce
I gruppi metilici sfavoriscono
questa stazione per effetti sterici
ed elettronici
N
h
O
N
N O
N
N
O
O
O
O
Ru
O
N
N
O
O
O
N
e-
O
N O
O
O
O
O
O
O
N
N
N
N
3+
Ru
N
N
N
O
O
Macchine Molecolari
Motore a luce
La ricombinazione delle cariche è
più efficiente del movimento.
L’aggiunta di ossidanti e riducenti
sacrificali rende più efficiente il
motore.
Macchine Molecolari
Da movimenti lineari a rotatorii
Utilizzando le stesse unità strutturali è possibile costruire sistemi biciclici: catenani
Macchine Molecolari
Da movimenti lineari a rotatorii
Movimento controllato dal potenziale redox
Movimento controllato dal potenziale
redox e dall’aggiunta di acidi e basi
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: valvole
Silice mesoporosa
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: valvole
Fissato vicino all’uscita dei pori, il rotassano ne può controllare l’accessibilità e di
conseguenza l’eventuale rilascio di specie intrappolate.
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: muscoli
Il funzionamento dei muscoli si basa sul reciproco spostamento di macromolecole
interdigitate che provoca una variazione di distanza tra le parti.
Tale movimento può essere riprodotto utilizzando rotassani opportunamente progettati
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: muscoli
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: muscoli
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: muscoli
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: computer
Macchine Molecolari
Macchine al lavoro: computer
Macchine Molecolari
Automobile molecolare!
Macchine Molecolari
Automobile molecolare!
Macchine Molecolari
Automobile molecolare!
Macchine Molecolari
Da leggere…