Lugano, il gruppo del professor Pavan (Supsi) su Nature

"Self-assembled poly-catananes from supramolecular toroidal building blocks". S'intitola così l'articolo pubblicato recentemente dalla prestigiosa rivista scientifica Nature. Un articolo frutto del lavoro guidato da Shiki Yagai della Chiba University (Giappone). Si tratta del primo rapporto sulla creazione di nano poli-catenani tramite auto-assemblaggio spontaneo e senza l'uso di templati, supporti o guide. Ebbene, a quest'importante progetto di ricerca ha contribuito anche il gruppo guidato dal professor Giovanni M. Pavan, responsabile del Laboratorio di scienza dei materiali computazionale dell'Istituto di ingegneria meccanica e tecnologia dei materiali della Supsi.

Il lavoro svolto dal team di ricerca è stato supportato dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica, dallo European research council sotto lo European union's horizon 2020 research and innovation program e dalle risorse computazionali messe a disposizione dal Centro svizzero di calcolo scientifico e dal Cineca.

I dettagli del progetto di ricerca

Controllando le condizioni di auto-assemblaggio, questo gruppo di scienziati è stato in grado di creare strutture supramolecolari complesse, tra cui un nano-catenano con anelli interconnessi linearmente, che è stato chiamato nanolimpiadano, in omaggio al sistema catenano “olimpiadano” riportato per la prima volta da Fraser Stoddart e colleghi nel 1994, e al noto simbolo dei giochi olimpici. Gli scienziati sono stati in grado di osservare queste impressionanti strutture composte da nano-anelli mediante microscopia a forza atomica, diffrazione a raggi-X e scattering a neutroni. Ogni anello (o nano-toroide, ~30 nm di diametro) è
formato da circa 600 piccole molecole identiche (monomeri). Questi monomeri si assemblano spontaneamente dapprima in “rosette” piatte (assemblaggi esagonali di 6 monomeri), che poi si impilano altra per formare collettivamente un anello. Gli autori hanno progettato metodi per purificare gli anelli, rimuovendo qualsiasi materiale che non si era assemblato come desiderato, e hanno scoperto che aggiunta di tali anelli a una soluzione calda contenete monomeri facilita la formazione di nuovi assemblaggi sulla superficie degli anelli preesistenti, un processo noto come nucleazione secondaria. Sulla base di queste osservazioni, sono stati quindi in grado di creare poli-catenani composti da un massimo di 22 anelli tramite addizione sequenziale di monomeri nel sistema. 

Le simulazioni molecolari multi-scala condotte dal gruppo di ricerca del Prof. Pavan sono state fondamentali per comprendere il meccanismo di formazione dei poli-catenani. Queste hanno permesso di modellizzare la nucleazione secondaria che avviene sulla superficie degli anelli e, insieme agli esperimenti di scattering, di caratterizzare il processo. I modelli molecolari hanno dimostrato che la causa principale che innesca la nucleazione secondaria e la crescita di nuovi anelli sulla superficie di quelli preesistenti è la limitata solubilità, che fa aderire i monomeri e le rosette sulla superficie dei toroidi presenti nel sistema. L'aggiunta sequenziale di monomeri ha quindi permesso agli scienziati di massimizzare l’interconnessione tra gli anelli, generando poli-catenani con lunghezza senza precedenti. Le dimensioni di queste strutture concatenate consentiranno uno studio approfondito delle proprietà fisiche uniche che può avere una struttura a catena composta da minuscole maglie molecolari interconnesse tra di loro, e di esplorare il loro potenziale per la creazione di nuovi tipi di macchine molecolari e materiali attivi.