Nuovi indizi sulla dinamica dei materiali auto-assemblanti
La natura ricorre all’auto-assemblaggio per costruire materiali molecolari, come i filamenti proteici cellulari o i microtubuli, che si adattano e rispondono dinamicamente a stimoli specifici, quali le variazioni di temperatura e i segnali chimici. La costruzione di materiali sintetici auto-assemblanti che possiedono proprietà analoghe potrebbe risultare molto promettente per una serie di applicazioni tecnologiche.
L’auto-assemblaggio molecolare e le strutture supramolecolari
Il progetto DYNAPOL, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), si è proposto di studiare i meccanismi molecolari che controllano le proprietà dei materiali auto-assemblanti dinamici, il che rappresenta un primo passo fondamentale verso la progettazione di nuove tipologie di materiali per varie applicazioni. L’auto-assemblaggio prevede la progettazione di unità più piccole che, in determinate condizioni, si riconoscono, si mettono in connessione e crescono insieme. Una caratteristica intrigante che emerge quando questi processi di auto-assemblaggio avvengono in determinati ambienti e condizioni riguarda il fatto che i materiali ottenuti esistono in uno stato intrinsecamente dinamico. «È un po’ come giocare con i Lego… immaginiamo, però, dei mattoncini Lego in grado di auto-organizzarsi e riconfigurarsi autonomamente», spiega Giovanni Pavan, coordinatore del progetto DYNAPOL e ricercatore presso il Politecnico di Torino(si apre in una nuova finestra). «I materiali realizzati in questo modo possono essere dotati di affascinanti proprietà, come comportamenti reattivi, adattabilità e riciclabilità (proprio come con i Lego, è possibile scomporre le strutture auto-assemblate nelle loro parti costitutive).»
L’enfasi sulla dinamica
Nel progetto DYNAPOL, Pavan ha voluto concentrarsi sull’importanza della dinamica nelle strutture auto-assemblanti. «In questo settore, è noto che la dinamica è fondamentale per le proprietà dei materiali supramolecolari», aggiunge. «Ciononostante, mi è sembrato evidente che non disponessimo tuttora di una reale comprensione dei fattori che controllano tale dinamica.» L’idea del progetto, pertanto, è stata quella di simulare non solo strutture o processi di auto-assemblaggio, ma piuttosto le transizioni dinamiche e la comunicazione che avviene tra i materiali auto-assemblanti a livello molecolare. Una sfida fondamentale al riguardo è stata quella di mantenere la risoluzione necessaria per osservare cosa succede a livello molecolare e persino sub-molecolare mentre si studia la dinamica supramolecolare di questi sistemi. DYNAPOL ha applicato una serie di strumenti, tra cui la modellizzazione multiscala, le simulazioni avanzate, l’apprendimento automatico e lo sviluppo di software, al fine di studiare una varietà di sistemi auto-assemblanti. Sono stati inoltre sviluppati nuovi metodi e strumenti volti a rilevare le fluttuazioni in qualsiasi tipo di materiali dinamicamente auto-assemblanti e a utilizzare i dati per scoprire i fattori molecolari che controllano le loro proprietà dinamiche bioispirate.
Nuovi materiali per varie applicazioni
Uno dei principali risultati ottenuti da DYNAPOL è stato quello di mettere in luce come i sistemi dinamici auto-assemblanti si comportino in qualità di sistemi complessi. «Ciò significa che al loro interno emergono proprietà non facilmente attribuibili a quelle delle unità fondamentali, ma piuttosto alle comunicazioni molecolari e al disordine che fluttuano dinamicamente al loro interno», spiega Pavan. Il progetto ha generato un’enorme influenza sul campo della scienza dei materiali, tanto che sono stati pubblicati oltre 60 articoli scientifici su importanti riviste. I risultati sono inoltre dotati di potenzialità per le applicazioni reali. I settori in cui la dinamica riveste un’importanza centrale, dalle batterie alla diagnostica per immagini, passando per la somministrazione di farmaci ai materiali adattivi, stanno esaminando le possibilità che si possono ottenere con nuovi tipi di materiali. «Immaginate, ad esempio, una crema medica o un’emulsione da applicare sulla pelle», spiega Pavan, «che sia composta da particelle auto-assemblate contenenti farmaci in grado di legarsi autonomamente e scansionare le superfici, alla ricerca della sovraespressione di specifici recettori (o bersagli) e capaci di rilasciare i farmaci solo dove e quando sono necessari.» «Questo è ciò che il nostro sistema immunitario compie in maniera naturale; possiamo ispirarci alla natura e imparare a usare l’auto-assemblaggio per costruire qualcosa di intelligente basato su nuovi tipi di materiali dinamici.»
