I fisici si stanno avvicinando sempre di più al controllo delle reazioni chimiche a livello di singola molecola, aprendo prospettive rivoluzionarie per la ricerca farmaceutica. Uno studio innovativo ha dimostrato il controllo sulla materia a livello atomico attraverso l’applicazione della nanotecnologia. Utilizzando la precisione della microscopia a scansione a effetto tunnel, i ricercatori hanno dimostrato come sia possibile influenzare gli esiti delle reazioni chimiche concorrenti manipolando i livelli energetici. Questo progresso consente di ottenere reazioni mirate, fondamentali per la sintesi di farmaci, riducendo al contempo la formazione di sottoprodotti indesiderati.
Controllo della Materia a Livello Atomico
Gli scienziati hanno compiuto un significativo passo avanti nel controllo della materia a livello atomico grazie alla ricerca di punta in nanotecnologia condotta dai fisici dell’Università di Bath in collaborazione con un team internazionale. Questa svolta ha implicazioni di vasta portata, avanzando sia la comprensione scientifica fondamentale che le applicazioni pratiche, tra cui il potenziale di rivoluzionare il processo di sviluppo dei farmaci migliorandone la precisione e l’efficienza.
Sebbene il controllo delle reazioni a singola molecola con un solo esito sia ormai una pratica comune nei laboratori di tutto il mondo, raggiungere questo livello di padronanza non è stato sempre possibile. Oltre un decennio fa, i ricercatori IBM dimostrarono il potenziale della manipolazione atomica creando “A Boy and His Atom”, il film più piccolo del mondo, in cui singole molecole composte da due atomi legati venivano spostate fotogramma dopo fotogramma per creare una narrazione in stop-motion su scala atomica.
Sfide nel Raggiungere Esiti Chimici Selettivi
Il controllo sulle reazioni chimiche con esiti multipli è rimasto un obiettivo difficile da raggiungere. Questo è cruciale poiché solitamente solo alcuni esiti di una reazione chimica sono utili. Ad esempio, durante la sintesi di farmaci, un processo chimico che porta alla “ciclizzazione” produce il composto terapeutico desiderato, mentre la “polimerizzazione”, un altro esito, genera sottoprodotti indesiderati. La capacità di controllare con precisione le reazioni per favorire gli esiti desiderati e ridurre i sottoprodotti indesiderati promette di migliorare l’efficienza e la sostenibilità dei processi farmaceutici.
Microscopia a Scansione a Effetto Tunnel: Uno Strumento Rivoluzionario
Il nuovo studio, pubblicato il 28 novembre nella prestigiosa rivista Nature Communications, ha dimostrato per la prima volta che gli esiti delle reazioni chimiche concorrenti possono essere influenzati utilizzando la risoluzione atomica di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM). Questo strumento rivoluzionario funziona in modo simile a un giradischi, con una punta sottile come un singolo atomo che si muove sulla superficie di un materiale, misurando proprietà come la corrente elettrica per mappare ciascun punto.
La relazione ben definita tra la distanza della punta e la corrente consente al microscopio di misurare e mappare la superficie dell’atomo o della molecola in base alla forza della corrente elettrica. Questo approccio consente di ottenere un’immagine precisa della superficie, rivelando dettagli invisibili ai microscopi ottici convenzionali.
Avanzamento delle Reazioni a Singola Molecola
Utilizzando la precisione atomica di un microscopio a scansione a effetto tunnel, gli scienziati possono non solo mappare la superficie di una molecola ma anche riposizionare singoli atomi e molecole, influenzando e misurando la probabilità di specifici percorsi di reazione in molecole individuali. Questo avanzamento apre nuove prospettive per la manipolazione controllata delle reazioni chimiche a livello molecolare.
La dottoressa Kristina Rusimova, che ha guidato lo studio, ha sottolineato: “La nostra ricerca dimostra che lo STM può controllare la probabilità degli esiti delle reazioni manipolando selettivamente gli stati di carica e le risonanze specifiche attraverso l’iniezione mirata di energia.”
Il Ruolo dell’Energia nei Dadi Molecolari
I ricercatori hanno scoperto che il rapporto tra gli esiti delle reazioni chimiche era controllato dall’energia degli elettroni iniettati nelle molecole di toluene. Questa dipendenza dall’energia ha permesso loro di ottenere il controllo sulla probabilità di ciascun esito della reazione attraverso il ‘riscaldamento’ mirato di uno stato molecolare intermedio, guidato da soglie energetiche precise e barriere molecolari.
Modificando l’input di energia, i ricercatori sono stati in grado di rendere un esito della reazione più probabile rispetto agli altri, dimostrando la possibilità di ‘caricare i dadi molecolari’ per influenzare le reazioni chimiche.
Unire Teoria ed Esperimento per l’Innovazione Molecolare
Il professor Tillmann Klamroth dell’Università di Potsdam ha sottolineato l’importanza di combinare la modellazione teorica avanzata con la precisione sperimentale per ottenere una comprensione approfondita delle probabilità delle reazioni basate sul paesaggio energetico molecolare. Questo approccio apre la strada a ulteriori progressi nella nanotecnologia e nell’innovazione molecolare.
Verso Sistemi Molecolari Programmabili
Guardando al futuro, la dottoressa Rusimova ha evidenziato che questo avanzamento rappresenta un passo importante verso sistemi molecolari completamente programmabili, con potenziali applicazioni nella produzione molecolare, medicina, energia pulita e altri settori. Le tecniche innovative come questa promettono di aprire nuove frontiere nella scienza e nella tecnologia molecolare.
Riferimento: “Misurare gli esiti concorrenti di una reazione a singola molecola rivela la cinetica chimica di Arrhenius classica” di Pieter J. Keenan, Rebecca M. Purkiss, Tillmann Klamroth, Peter A. Sloan e Kristina R. Rusimova, 28 novembre 2024, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-024-54677-1. La ricerca è stata finanziata dalla Royal Society e dall’EPSRC.
