Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Prima di passare ad una descrizione più dettagliata dei movimenti (lineari, rotatori, di trasformazione…) delle Macchine Molecolari Naturali, occorre fermare un momento l’attenzione su alcuni aspetti di carattere fisico ed energetico che renderanno un po’ più intuitivo l’inimmaginabile. Cosa accade alla Fisica quando si raggiunge la scala nanometrica, cambia?
Non esattamente. Infatti, se le leggi fisiche che regolano la materia rimangono esattamente le stesse, a cambiare sono invece le conseguenze pratiche che si verificano (su ciò che osserviamo) a mano a mano che cambiamo scala. Sono quindi le conseguenze, che precise leggi fisiche hanno, a dipendere fortemente dalla scala dimensionale alla quale ci troviamo. Subito alcuni rapidi chiarimenti.

Nel mondo macroscopico siamo soliti notare gli effetti che “gravità” e “inerzia” hanno sugli oggetti che maneggiamo continuamente; ebbene, nel mondo nanometrico, dove la massa delle molecole è estremamente piccola, questi effetti diventano trascurabili. Viceversa le interazioni intermolecolari, che nel mondo macroscopico sono irrilevanti, diventano di primaria importanza nel mondo nanometrico. Per meglio comprendere basti pensare ai gechi. Le loro zampe sono in grado di aderire in maniera strabiliante ad una grande varietà di superfici. Questo non è dovuto a ventose o liquidi, bensì, molto più semplicemente, a interazioni elettromagnetiche che hanno luogo tra le rugosità delle superfici calpestate e la formidabile conformazione del tessuto presente sotto le loro zampe. Questo tessuto è dotato di “migliaia di setole per millimetro quadrato” le quali, a loro volta, sono costituite da filamenti ancora più piccoli, le fibrille, il cui diametro è di appena 1,5 micron (pressappoco un diametro 50 volte inferiore a quello di un capello).

Un simile “trucco” della Natura offre un tornaconto non da poco: una grande area di contatto, ricavata tra le rugosità (anche minime) delle superfici toccate, che sfrutta per l’adesione interazioni elettromagnetiche conosciute con il nome di Forze di Van der Waals.

Ma le differenze non finiscono qui. Il calore, ad esempio, a livello nanometrico fluisce molto più rapidamente e, ancora, nel mondo macroscopico un tornio, un robot, un motore a combustione interna possiedono due caratteristiche che scompaiono nelle macchine molecolari del mondo nanometrico: sono dotati di corpo rigido ed il loro funzionamento avviene in presenza anche di forti differenze di temperatura con l’ambiente in cui operano.
Ne sono un tipico esempio il pesante basamento di un tornio entro il quale sono rigidamente vincolati i movimenti del mandrino, della trasmissione o della torretta portautensili, così come la distribuzione, il manovellismo e la trasmissione dei motori a combustione interna. Sistemi dotati di organi che si muovono in moto rotatorio, alterno, o combinato, rigidamente vincolati (tra basamenti, monoblocchi, testate…) affinché possano svolgere il loro compito correttamente. Al contrario le macchine molecolari sono formate da parti estremamente flessibili che operano a temperatura costante, ovvero quella dell’ambiente in cui si trovano. Ma non solo…

Il moto browniano

E’ affascinante osservare come le macchine molecolari naturali siano perennemente sottoposte ad un moto disordinato delle molecole, il moto browniano (da Robert Brown, botanico scozzese, che lo scoprì ai primi dell’800). Gli effetti del moto browniano sono irrilevanti nei movimenti che osserviamo nel mondo macroscopico ma diventano considerevoli se ci portiamo alla scala nanometrica.

In quest’ultimo punto risiede una delle principali chiavi di comprensione del movimento meccanico delle Macchine Molecolari Naturali. Le molecole di un liquido (ricordiamo che ci troviamo dentro le cellule che potremmo, in questo momento e con estrema cautela, definire delle sacchette d’acqua) sono sottoposte ad un moto, incessante e disordinato, a zig-zag, che, come abbiamo introdotto, prende il nome di moto browniano.
Esso è la manifestazione diretta del movimento termico delle molecole del liquido. A livello nanometrico il moto browniano delle molecole è immaginabile come una sorta di terremoto che aumenta all’aumentare della temperatura e che può essere arrestato solo allo zero assoluto (-273,15°C). In questo sisma è molto difficile per una Macchina Molecolare Naturale eseguire un preciso movimento analogo ad esempio a quello di un braccio meccanico che si estende, raccoglie qualcosa e si contrae.
Per riuscirci la Natura adotta un geniale stratagemma sfruttando una intelligente combinazione di energie: quella del moto browniano come energia intensa di spinta (quella che nel mondo macroscopico permetterebbe ad un braccio meccanico di sollevare un pesante carico) e quella dell’ATP* (Adenosina Trifosfato ovvero il composto energetico richiesto dalla quasi totalità delle reazioni metaboliche endoergoniche) come energia che, seppur a confronto modestissima, è importante per “orientare le scosse di terremoto” affinché il movimento nella direzione desiderata, ovvero quella utile a compiere il lavoro richiesto, diventi più probabile nel “sisma”.

*Grossolanamente potremmo dire che l’ATP è l’energia che alimenta il metabolismo (delle cellule) ovvero che alimenta il complesso di reazioni biochimiche di sintesi ( anabolismo ) e di degradazione ( catabolismo ), che si svolgono in ogni organismo vivente e che ne determinano l’accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento.

Così è facile comprendere come le macchine molecolari naturali, sebbene ruotino, scorrano e si trasformino (in senso lato) come i complessi macchinari di una fabbrica a dimensione d’uomo, non ne rappresentano (in senso stretto) una versione ridotta in scala. Questo proprio perché bisogna confrontarsi con il cambiamento delle proprietà e del comportamento della materia una volta raggiunta la scala nanometrica.

Continua…

Fonti
Alberto Credi, Vincenzo Balsani, Le macchine molecolari. 1088 press, 2018;
Alberto Credi, professore ordinario di chimica all’Università di Bologna e
ricercatore associato al Consiglio Nazionale delle Ricerche;
Vincenzo Balzani, professore emerito presso l’Università di Bologna.
Grande Dizionario Enciclopedico, UTET;
UTET Scienze Mediche;
Fondamenti di Chimica, UTET;

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Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 5: L’energia chimica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 6: I movimenti meccanici

Esempi di biomimetica

Leonardo da Vinci progettò diverse macchine studiando attentamente la natura. Ciò perchè l’evoluzione naturale procede in accordo con le sue stesse leggi e compatibilmente alle sue possibilità e limitazioni. Nell’articolo che segue riportiamo alcuni esempi di materiali, tecnologie e strutture che sono stati realizzati imitando la natura per ottenere caratteristiche superiori. Stiamo parlando quindi di esempi di “biomimetica” (vedi l’articolo: Che cos’è la Biomimetica?).

Le note fibre sintetiche come il nylon sono ispirate alla seta naturale. Il velcro è ispirato alla forma uncinata dei semi vegetali. Imitando le zampe del geco sono stati realizzati adesivi nanostrutturati.

Ispirandosi alla superficie dei fiori di loto è stato possibile realizzare superfici autopulenti. La struttura superficiale dei fiori di loto infatti è molto fine ed è rivestita di cristalli di cera idrofobica di diametro pari a circa 1 nanometro (1 milionesimo di millimetro). Su una foglia di loto solo il 2-3% di una goccia d’acqua è realmente a contatto con la foglia stessa. La nanostruttura ruvida delle foglie di loto è essenziale affinché l’acqua non scivoli ma rotoli sulla superficie, ciò le permette di portar via con sé una quantità nettamente maggiore di sporco ed impurità.

I più recenti rivestimenti di superficie, già usati in ingegneria aerospaziale per ridurre l’attrito idrodinamico, hanno la struttura che imita quella dell’epidermide dei grandi pesci. Un esempio evidente si ha nel campo del nuoto agonistico dove gli atleti indossano tute speciali per migliorare le proprie prestazioni. La rugosità della pelle dello squalo, ad esempio, offre una migliore portanza nel nuoto.

Il muco che riveste la pelle di alcuni animali acquatici (vedi il barracuda) ha una doppia funzionalità: agisce da barriera contro la salinità dell’acqua ed opera una riduzione della drag force (forza di trascinamento). Questa proprietà è stata sfruttata per produrre additivi polimerici artificiali i quali, immessi nelle tubazioni di oleodotti in Alaska, hanno permesso di ridurre del 30% la potenza richiesta dalle pompe per il sostentamento dell’olio.

La vernice autoriparante, oggi disponibile su diverse berline di lusso, consiste in un composto formato da un polimero capace di rigenerarsi se sottoposto alla radiazione ultravioletta presente nella luce solare. Combinando il poliuretano con una molecola di chitosano, un carboidrato che si trova nella corazza dei crostacei (granchi e aragoste), i ricercatori hanno ottenuto proprietà auto-riparanti. Quando il materiale è danneggiato, la resina viene rilasciata nella frattura ove solidifica al contatto con un agente indurente presente nel materiale. Questo, una volta esposta la superficie alla radiazione ultravioletta, crea legami di reticolazione al fondo della frattura sanandola in un ridotto arco di tempo.

L’atomo di carbonio, la molecola dell’acqua, le proteine, le cellule, i tessuti, gli esseri umani e tutte le creature viventi usano il principio della tensegrità (ovvero minimo sforzo per massimo rendimento) per la loro struttura. Questo significa che la stabilità delle loro strutture non dipende dalla resistenza di ogni singolo componente, bensì dal modo in cui l’intero sistema distribuisce e bilancia le sollecitazioni. Il termine tensegrità (tensione + integrità) sta ad indicare la stabilità a tensione e compressione ottenuta mediante la distribuzione ed il bilanciamento delle forze all’interno della struttura. Una cupola geodetica, ad esempio, è in grado di sopportare un dato carico con il minimo impiego di materiale, pur essendo essenzialmente formata da montanti rigidi che compongono triangoli, pentagoni, ecc., ognuno dei quali è in grado di resistere sia a trazione che a compressione.

Le particolari performances proprie dei materiali biologici sono il frutto di una lenta e severa selezione naturale che opera nell’intento di trovare il miglior materiale disponibile per una precisa funzione. Contrariamente a quanto si possa pensare, la tendenza è quella di dotare un organismo di un numero limitato di componenti o principi che possano svolgere differenti ruoli. Ad esempio il collagene di tipo I presenta una diversa morfologia a seconda della funzione che svolge nei vari tessuti. Questa proteina mostra bassa rigidità ed elevata deformazione, tipica dell’elastomero, nei tendini. Nella cornea offre proprietà ottiche come la trasparenza. Infine nell’osso, dove è associato a cristalli di idrossiapatite (vedi l’articolo: Materiali compositi: le ossa), conferisce durezza e resistenza. Molti e molti più esempi si potrebbero fare in merito alla biomimetica, tuttavia, per semplicità, ci siamo limitati a riportarne solo alcuni tra quelli più facilmente comprensibili.

Note. Potrebbe esserti utile leggere l’articolo “Fattore di moltiplicazione” per valutare a quanto corrisponde 1 nanometro (nm).

superfici_autopulenti_imitano_fiori_loto.jpg

Solo il 2-3% della superficie di una goccia d’acqua entra in contatto con la superficie della foglia di loto.
La nanostruttura ruvida delle foglie di loto è essenziale affinché l’acqua non scivoli ma rotoli sulla superficie,
ciò le permette di portar via con sé una quantità nettamente maggiore di sporco ed impurità.
Su questo principio sono state sviluppate superfici autopulenti artificiali.
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