Al confine fra gli stati della materia: sintetizzato il primo materiale dinamico

Dotare la materia solida della massima mobilità possibile, senza modificare la sua struttura e con l’uso di basse temperature, per poterla gestire e controllare più facilmente per nuove applicazioni.

Questo è il risultato della ricerca “Fast motion of molecular rotors in metal–organic framework struts at very low temperatures” coordinata da Piero Sozzani e Angiolina Comotti, docenti di Chimica macromolecolare, con il contributo di Jacopo Perego, Mattia Negroni e Charl Bezudenhout, assegnisti di ricerca,  tutti afferenti al Dipartimento di Scienza dei materiali di Milano-Bicocca.

La ricerca, realizzata in collaborazione con l’Università di Pavia, è appena stata pubblicata sulla prestigiosa rivista “Nature Chemistry”.

Per la prima volta, il team di ricercatori ha sintetizzato un solido contenente rotori molecolari con una mobilità mai registrata prima, gestibile anche alle bassissime temperature.

Dotare la materia di una dinamica interna pari a quella dei liquidi è un tema fondante della ricerca nel campo dei materiali. Molte funzioni ed applicazioni, sono infatti precluse per i sistemi rigidi e statici. Le proprietà dinamiche richieste devono però potersi stabilire senza sacrificare la solidità e robustezza del materiale nel suo insieme.

Con questo studio si è dimostrato come sia possibile ottenere una materia solida ma con alcune proprietà affini ai fluidi, attraverso l’integrazione di ‘motori e rotori molecolari’ in matrici solide.

Nei motori che utilizziamo nella vita di tutti i giorni, come quelli delle autovetture, le componenti rotanti rivestono un ruolo di fondamentale importanza; allo stesso modo, la realizzazione di motori molecolari richiede che siano disponibili unità molecolari rotanti in modo continuo e ‘fluido’.

Per questo, l’attività di ricerca è stata dedicata alla sintesi di strutture cristalline porose dette MOFs, acronimo per Metal-Organic Frameworks. Questa è stata la base per realizzare i rotori veloci allo stato solido, dove i gruppi molecolari rotanti vengono sostenuti da un’impalcatura cristallina fissa che agisce da statore. L’elevata porosità dei MOFs è tale che ogni gruppo molecolare rotante abbia molto spazio vuoto attorno a sé e, quindi, possa ridurre la sua interazione quasi a zero con la struttura cristallina, mantenendo un regime rotatorio ultraveloce anche a freddo e realizzando qualcosa che è in contrasto con il concetto stesso di struttura ordinata e cristallina. 

«I sistemi progettati per produrre moti molecolari coerenti – dichiara il professor Piero Sozzani – permettono di commutare le forme di energia, in lavoro meccanico coerente, utile nella vita di ogni giorno: proprio come un motore trasforma energia chimica oppure elettrica nel movimento desiderato.»

«Questo obiettivo – aggiunge Sozzani – è contrastato dall’agitazione termica che scuote perennemente le molecole come un violento terremoto: quindi, è opportuno ridurre la temperatura ai limiti estremi, ma così facendo il congelamento di ogni forma di moto è la conseguenza ovvia nei materiali esistenti fino ad ora. In questi nuovi materiali dinamici il congelamento globale non avviene anche a 2 gradi Kelvin, ma il moto persistente e unidirezionale può essere sostenuto per molti giri del rotore.»