Il sistema visivo, evolutosi nel corso di milioni di anni, è estremamente complesso. Per rendere la visione sensibile in tutta la gamma delle lunghezze d’onda visibili, la Natura impiega un approccio chimico supramolecolare. Il pigmento visivo, cis-retinale, cambia forma quando cattura un fotone. Questa trasformazione della forma è accompagnata da cambiamenti nell’organizzazione supramolecolare delle proteine circostanti, innescando successivamente una cascata di eventi di segnalazione chimica che vengono amplificati e alla fine portano alla percezione visiva nel cervello.
“Alcuni pesci di acque profonde hanno sviluppato molecole simili ad antenne in grado di assorbire fotoni nella gamma di lunghezze d’onda rosse, la cui abbondanza a grandi profondità è prossima allo zero. Dopo aver assorbito un fotone, questa molecola antenna trasferisce la sua energia alla vicina molecola retinale, così inducendo il suo cambiamento conformazionale da cis A trans-retinale. Nei sistemi sintetici, tale processo consentirebbe di utilizzare la luce a bassa energia per applicazioni, ad esempio, nell’immagazzinamento di energia o nel rilascio controllato di farmaci,” spiega l’autore principale del lavoro, il Prof. Rafal Klajn dell’Istituto di Scienze Weizmann.
Ispirati da questo fenomeno, i ricercatori hanno sviluppato una macchina supramolecolare superiore in grado di convertire in modo efficiente le molecole sintetiche fotocommutabili ampiamente utilizzate – gli azobenzeni – dalla conformazione stabile a quella metastabile con quasi qualsiasi lunghezza d’onda della luce visibile. L’approccio prevede una gabbia metallo-organica riempita con una molecola di azobenzene e una molecola antenna che assorbe la luce, il sensibilizzatore. Nello stretto confinamento all’interno della gabbia supramolecolare diventano possibili processi chimici che non avrebbero luogo in condizioni normali.
“Un problema comune degli azobenzeni è che non possono subire in modo efficiente il fotoswitching dalla stalla trans forma al metastabile cis si formano con la luce rossa a bassa energia e nel vicino infrarosso, ma il processo deve essere guidato dalla luce UV. Ciò limita sostanzialmente le loro applicazioni in campi come la fotocatalisi o la fotofarmacologia. Ora, utilizzando l’approccio di ingabbiamento supramolecolare, possiamo raggiungere risultati quasi quantitativi trans-A-cis isomerizzazione con qualsiasi colore della gamma visibile,” afferma la Dott.ssa Nikita Durandin, ricercatrice dell’Accademia finlandese nel gruppo di chimica supramolecolare dei bio- e nanomateriali, che ha lavorato con approcci di sensibilizzazione presso l’Università di Tampere negli ultimi 7 anni.
“Studi spettroscopici risolti nel tempo condotti presso l’Università di Tampere hanno rivelato che i processi fotochimici che innescano l’isomerizzazione avvengono molto velocemente, nell’ordine dei nanosecondi. In altre parole, quasi 1 miliardo di volte più velocemente di un battito di ciglia”, continua il Dr. Tero-Petri Ruoko , Marie Sklodowska-Curie Fellow nel gruppo Smart Photonics Materials ed esperto in spettroscopia ultraveloce.
“Una volta che si illumina questa gabbia supramolecolare, questa converte rapidamente quasi tutti i… trans isomeri in cis isomeri. La semplice miscelazione di componenti e luce che corrisponde al profilo di assorbimento del sensibilizzatore è sufficiente per far funzionare questo macchinario”, aggiunge.
Secondo il Prof. Arri Priimägi, leader del gruppo Smart Photonics Materials specializzato in materiali fotoattivi, lo studio presenta un nuovo approccio per attivare molecole fotoreattive con luce a bassa energia, spingendole fuori dal loro equilibrio termodinamico utilizzando la chimica che avviene solo sotto confinamento.
Ci sono voluti milioni di anni di evoluzione perché emergesse l’occhio dei pesci delle profondità marine. Imparando da ciò, la ricerca condotta dal gruppo di Rafal Klajn ha esteso questi concetti ai materiali sintetici in meno di 5 anni.
“Stiamo già lavorando alla prossima generazione di macchine supramolecolari guidate dalla luce, con l’obiettivo di applicare le metodologie sviluppate nella robotica morbida e nei sistemi di somministrazione di farmaci attivati dalla luce”, conclude Priimägi.
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