Un importante passo avanti nel coinvolgimento delle Scienze Chimiche nello sviluppo di sistemi complessi per applicazioni nanotecnologiche arriva dall’Università della Tuscia nell’ambito dell’ecosistema del Rome Technopole, dove un team di ricercatori coordinato dal dott. Costantino Zazza sta esplorando con tecnologie innovative di supercalcolo le molteplici possibilità che le interazioni fondamentali in natura offrono nel design di sistemi nanotecnologici su scala molecolare.
Questa volta l’attenzione dei ricercatori del DIBAF si è focalizzata su un rotassano molecolare simmetrico in cui un macrociclo (un etere corona del tipo 24-crown-8) è in grado di muoversi in maniera ciclabile lungo un “binario” molecolare rigido a base di 2,2′-bipiridile tra due stazioni molecolari di riconoscimento (a base di benzimidazolo) a temperatura ambiente in soluzioni diluite di diclorometano o di metilformammide.
Grazie a una combinazione di algoritmi di calcolo basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) e teoria quantistica degli atomi nelle molecole (QTAIM), i ricercatori hanno esplorato i complessi meccanismi di interazione che regolano il movimento traslazione del macrociclo tra i due siti molecolari di riconoscimento.
Nello specifico, il risultato più significativo riguarda la capacità di questo sistema di effettuare uno “shuttling” controllato, un movimento traslazionale su nano scala quasi-monodimensionale, che può essere efficacemente rallentato dalla presenza di ioni Zn(II) in solventi come la dimetilformammide (DMF).
Gli studiosi hanno caratterizzato in maniera puntuale un meccanismo di scambio di ligando precedentemente ipotizzato sperimentalmente all’interno dei laboratori dell’Università di Windsor in Canada che può o meno favorire la cinetica ditransito dell’anello ciclico da una stazione all’altra, confermando quindi l’esistenza di un complesso intermedio ottaedrico transitorio nella porzione di intermezzo tra le due stazioni molecolari.
Questa ricerca, condotta grazie alle risorse computazionali del cluster HPC DIBAF, rappresenta un contributo importante nella progettazione di dispositivi molecolari che possono presentare una modulazione dei tempi di traslocazione in oggetti di dimensioni molecolari su spazi confinati, aprendo quindi la strada a nuove frontiere nello sviluppo di sistemi nanotecnologiche possono presentare frequenze di esercizio modulabili.
“Abbiamo dimostrato da principi primi con algoritmi accurati in un ambiente di super calcolo che le interazioni, in questo tipo di sistemi complessi, tra le singole subunità funzionali può essere opportunamente modulata con precisione grazie a fenomeni quantistici declinati nella natura delle interazioni fondamentali che possono governare la formazioni o meno di opportuni legami chimici.
È un risultato che apre nuove sfide nel design e nella realizzazione di intriganti sistemi su nanoscala come le macchine e i dispositivi molecolari con intervalli di velocità controllabili mediante una opportuna selezione delle interazioni coinvolte”, afferma Zazza.