Le macchine molecolari. Il “congegno” del futuro

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Vincenzo Balzani

Intervista a Vincenzo Balzani Professore di Chimica Generale e Inorganica all’Università di Bologna
“Le molecole individuali potranno essere usate come componenti per computer”

Parlare con il Professor Vincenzo Balzani significa fare un’esperienza. Nel senso
che non ci si limita a scambiare messaggi e informazioni ma ci si avventura su
altri livelli della realtà. E la realtà studiata dal Professor Balzani è quella submicroscopica delle molecole, della luce, delle nanotecnologie. Sessantasei anni ben portati, cattolico impegnato, padre di sei figli, Balzani è Professore di
Chimica Generale ed Inorganica all’Università di Bologna e guida, al
Dipartimento Ciamician, un gruppo di ricerca sulle macchine molecolari
all’avanguardia nel mondo.

Professor Balzani, cosa sono queste macchine molecolari?

“Più che di macchine parlerei di congegni. Diciamo che entrambi sono sempre
stati l’elemento trainante della civiltà. E specialmente negli anni più recenti c’è
stata una fortissima tendenza a miniaturizzare. Per fare un esempio: il primo
computer era grande come una stanza, adesso sta su una scrivania ed è molto
più potente del suo antenato. Oggi per miniaturizzare si parte da materiali
macroscopici di varia natura, metallici plastici ecc. Si lavorano, si rendono
sempre più piccoli fino a scriverci sopra circuiti elettronici e così via. Diciamo
che si procede dall’alto verso il basso. Con questo metodo la miniaturizzazione
arriva al livello dei micrometri, un milionesimo di metro, ma non si può andare
oltre. I circuiti elettronici, ad esempio, non si possono rimpicciolire al di sotto
dei micrometri. Però c’è ancora tanto spazio verso il “piccolo”: in teoria si può
scendere ancora più in giù: si può andare al nanometro, il miliardesimo di
metro”.

E qui interviene la chimica…

“Esatto. Le molecole, che sono le più piccole entità della materia ad avere
forma propria e composizione ben definita, hanno dimensioni nanometriche.
Per miniaturizzare tutto a livello molecolare, per fare delle nanostrutture,
dobbiamo cambiare approccio. Non più dall’alto ma da basso. Il che significa
prendere le molecole e formare delle strutture con cui costruire dei congegni o
delle macchine che in qualche modo possano essere utilizzate dall’uomo. In
poche parole, si tratta di assemblare delle molecole e di farle cooperare perché
possano svolgere una funzione. Con le nanostrutture siamo al massimo livello
di miniaturizzazione possibile”.

Ci troviamo dunque alle soglie di una nuova generazione di computer?

“Sì, anche se non è ancora ben chiaro come e quando. Comunque le
prospettive ci sono. Il processo non investirà solo il computer ma anche le
tecniche mediche, la costruzione di nuovi materiali, la conversione dell’energia,
e altro ancora. Insomma si apre una nuova frontiera per la scienza e la
tecnologia. Semplificando al massimo la tecnica consiste nel prendere delle
molecole particolari, ciascuna delle quali deve avere delle proprietà specifiche,
ad esempio assorbire un fotone, trasferire un elettrone, cambiare la sua
struttura, insomma di fare un’azione semplice. L’insieme di queste molecole,
opportunamente assemblate, porta a sistemi chiamati supramolecolari, capaci
di svolgere una funzione più complessa di quella che è in grado di svolgere
ogni molecola da sola. Tre anni fa la rivista The Economist si chiedeva: le
molecole possono essere usate come componenti per computer? Per esempio
una molecola può essere un bit di memoria? Oppure: si possono fare dei fili,
delle prese, delle spine, a livello molecolare? La nostra risposta è che sì, si
possono fare”.

Cos’altro si può fare con le nanostrutture?

“All’uomo interessa molto il movimento, ossia fare delle macchine. A livello
molecolare si possono fare delle strutture che rispondono a input esterni;
inviando fasci di luce o altri segnali possiamo comandare a un sistema
supramolecolare di fare determinati movimenti: allungarsi, accorciarsi,
allargarsi, ruotare, ecc. Sono movimenti interessanti anche perché ubbidiscono
alla logica binaria, 0 -1, sì-no”.

Con quale tipo di energia funzionano le macchine molecolari?

“In molti casi con la luce. In natura la luce ha due funzioni. Nella fotosintesi la
luce del sole viene convertita in energia chimica: le mele, il grano ecc. Così la
luce ci dà energia. Sotto un altro aspetto la luce ci dà informazioni per la vita, i
nostri occhi vedono grazie ad essa. La luce, o se vogliamo i fotoni quando
interagiscono con la materia, ha quindi questo duplice aspetto: sfruttati in un
certo modo sono energia, sfruttati in un altro sono informazioni. Questo è vero
anche per i congegni e le macchine molecolari che noi studiamo. Oggi pure nel
campo macroscopico c’è la tendenza a passare dall’elettronica, cioè dall’utilizzo
di elettroni come energia e come segnali, alla fotonica, cioè all’uso della luce.
Già in tanti casi si usano fasci di luce che viaggiano nelle fibre ottiche piuttosto
che fasci di elettroni che viaggiano tramite fili metallici. Questo cambiamento
sarà probabilmente sempre più accentuato quanto più si procederà nella
miniaturizzazione. Con la luce è facile dare energia ed istruzioni alle molecole.
Insomma più si scende le piccolo più si va verso la fotonica”.

Sul piano scientifico, quali sono le prospettive?

“Almeno due. Si possono fare dei congegni che mimano tutto quello che
adesso c’è dentro i calcolatori: prese, spine, fili, antenne ecc. Probabilmente in
futuro avremo computer che anziché funzionare con input che viaggiano con
elettroni funzioneranno con input che viaggiano con fotoni. La seconda
prospettiva è quella di costruire sistemi nanometrici in grado di compiere dei
movimenti su input comandati da noi. Sistemi che vengono chiamati motori
molecolari artificiali “.

Sul piano economico quali sono le ricadute?

“L’economia è molto interessata a questi studi perché miniaturizzando ci si
guadagna in potenza e si usano minori quantità di materiali. Anche
l’automazione ne dovrebbe giovare. Ma la strada da fare è ancora tanta.
Attualmente siamo a livello di studi di base che prima o poi saranno applicati.
In proposito vorrei ricordare un aneddoto che nell’800 ha avuto come
protagonista lo scienziato inglese Faraday. Quando il Primo Ministro inglese,
visitando il suo laboratorio, gli chiese a cosa servisse quella cosa esoterica
chiamata elettricità, Faraday rispose: non si preoccupi, un giorno la tasserete.
Con questo non voglio dire che i computer molecolari verranno costruiti e
tassati. Noi adesso facciamo ricerca di base, poi qualcuno si preoccuperà delle
applicazioni. Al momento di sicuro c’è che le nanotecnologie aprono nuove
strade”.

Chi finanzia le sue ricerche? C’è qualche investimento da parte di privati?

“No, i privati sono interessati alla applicazioni e i finanziamenti provengono da
Enti pubblici nazionali e comunitari, da nessun altro. Noi facciamo parte di
network europei e lavoriamo a stretto contatto con diversi istituti di ricerca sia
nel nostro continente che negli Stati Uniti. Comunque non ci lamentiamo,
presentiamo dei progetti e i soldi li otteniamo”.

Una critica mossa oggi alla scienza è che la ricerca di base giova
esclusivamente ad un’élite che la piega ai propri specifici interessi e ad
una sola visione sia dell’economia, sia della società…

“Infatti, ogni volta che faccio una conferenza in Italia o all’estero finisco
sottolineando che la scienza deve essere usata non per mantenere i privilegi
ma per colmare le disuguaglianze, non per la guerra ma per la pace. Io non
sono per niente d’accordo su come è organizzato il mondo oggi. Non è possibile
che il mondo sopravviva con poche nazioni ricchissime e miliardi di persone che
muoiono di fame. Non solo: persino all’interno delle nazioni ricche ci sono
enormi disparità. Negli Stati Uniti un operaio prende un quattrocentesimo di
quello che guadagna un dirigente, ci sono circa due milioni di carcerati e un
gran numero di analfabeti. Nella mia parrocchia ho tenuto delle lezioni su
scienza e pace dove ho cercato di mettere in evidenza le contraddizioni di
questo mondo. Secondo me siamo messi malissimo. Non possiamo esportare la
democrazia con le armi. Né possiamo imporre un modo di vivere e consumare
che porta al collasso ambientale. Quindi, purtroppo, non so dirle a cosa
serviranno le nanotecnologie. Spero solo che siano usate per il bene e non per
fare disastri”.

Patrizio Paolinelli, ABC, periodico del quotidiano il Domani di Bologna, 22 aprile 2003.

 

Sotto le Due Torri il pool degli scienziati della luce

Il gruppo di Fotochimica e Chimica Supramolecolare guidato dal Professor Balzani al Dipartimento di Chimica Giacomo Ciamician della Facoltà di Scienze di Bologna è composto da tre Professori Ordinari, tre Associati e cinque ricercatori. A questi si uniscono dottorati di ricerca, assegnisti, collaboratori stranieri per periodi determinati e numerosi gli scambi di ricercatori a livello europeo.

Il Dipartimento Ciamician ha alle spalle lunga tradizione di studi sull’interazione fra luce e materia, la fotochimica. Il gruppo del Professor Balzani è partito dalla fotosintesi artificiale per poi spostarsi verso l’ideazione delle macchine molecolari. L’èquipe di scienziati è prevalentemente orientata verso la creazione di concetti che trovano sperimentazione in altri istituti specializzati e fa parte di un network nazionale (che coinvolge le Università di Pisa, Pavia, Roma La Sapienza, Messina, Padova, Parma) e un network internazionale (che coinvolge le Università di Belfast, Groningen in Olanda, Lisbona, Strasburgo, Rehovot in Israele).

L’ultimo libro pubblicato nel 2003, scritto da Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Margherita Venturi, pubblicato da WILEY-VCH, e intitolato Molecular Devices and Machines. A Journey into the Nano World, è tra i primi dieci testi scientifici più venduti in Giappone.

Per altre informazioni: http://www.ciam.unibo.it

Patrizio Paolinelli, ABC, periodico del quotidiano il Domani di Bologna, 22 aprile 2003.

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