Molti materiali che usiamo nella vita quotidiana sono progettati per essere stabili e mantenere la propria struttura nel tempo. In natura, invece, molte strutture fondamentali sono dinamiche: si formano, si trasformano e si disfano in risposta a stimoli esterni. Un esempio emblematico è il citoscheletro delle cellule, una rete di filamenti che si assembla e si disassembla continuamente per permettere funzioni essenziali come il trasporto interno, la divisione cellulare e il movimento. Riprodurre questa capacità nei materiali sintetici è una delle sfide più affascinanti della chimica dei materiali: l’obiettivo non è solo creare materiali che cambiano forma, ma anche sistemi capaci di assorbire energia, conservarla temporaneamente e rilasciarla quando serve per svolgere una funzione.
Ispirandosi a questi processi dinamici, un team internazionale di ricercatori dell’Università di Padova e della Northwestern University (USA) ha sviluppato un nuovo materiale organico capace di cambiare struttura, immagazzinare elettroni e poi rilasciarli per attivare reazioni chimiche. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica «Chem».
Il materiale è formato da molecole organiche progettate per attivarsi tramite assorbimento della luce e poi unirsi spontaneamente in acqua. Prima dell’attivazione si presenta come una soluzione gialla; dopo l’esposizione alla luce solare, le molecole si organizzano in filamenti nanoscopici e la soluzione si trasforma in un materiale soffice, detto anche idrogel. Questo cambiamento non è solo visivo: durante la trasformazione il materiale accumula elettroni, comportandosi come una sorta di gel “caricato”.
«Abbiamo sviluppato un sistema in cui l’energia assorbita non viene immediatamente dissipata, ma viene immagazzinata sotto forma di elettroni all’interno di un materiale soffice – spiega Luka Ðorđević, docente del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova e primo autore dello studio –. Quando il materiale viene esposto alla luce, le molecole si auto-assemblano e passano da una soluzione a un idrogel. Quando invece entra in contatto con l’ossigeno, gli elettroni vengono rilasciati e il materiale ritorna allo stato iniziale».
Uno degli aspetti più interessanti dello studio è la reversibilità del processo, infatti il materiale può essere “caricato” e “scaricato” più volte: in assenza di ossigeno, la luce induce la formazione dell’idrogel nero; in presenza di ossigeno, il gel si disassembla e torna alla soluzione gialla di partenza. Gli elettroni immagazzinati funzionano quindi come una sorta di “colla” temporanea che tiene insieme le molecole e permette la formazione delle nanostrutture.
La stessa trasformazione può essere attivata non solo dalla luce visibile, ma anche da stimoli diversi, tra cui reagenti chimici, un impulso elettrochimico o raggi X. Questo rende il sistema particolarmente versatile e mostra come diverse forme di energia possano essere convertite in un cambiamento strutturale controllato del materiale.
«La cosa sorprendente è che stimoli molto diversi portano allo stesso risultato: la formazione di filamenti supramolecolari capaci di stabilizzare elettroni – aggiunge Marianna Barbieri, autrice dello studio e dottoranda in Materials Science and Technology all’Università di Padova –. Questo ci permette di controllare quando il materiale si forma, quando si disfa e quando rilascia l’energia immagazzinata».
Gli elettroni immagazzinati possono essere utilizzati anche per promuovere reazioni chimiche al buio: dopo essere stato “caricato” con la luce, infatti, il gel può reagire con l’ossigeno e generare specie reattive dell’ossigeno, capaci di ossidare una molecola organica anche quando la sorgente luminosa è stata spenta. Questo comportamento rappresenta un modello di “fotocatalisi al buio”, in cui l’energia viene raccolta in un primo momento e utilizzata successivamente, separando nel tempo l’assorbimento della luce dalla reazione chimica.
«Questo lavoro mostra che i materiali supramolecolari possono essere progettati non solo per rispondere a uno stimolo, ma anche per trattenere temporaneamente l’energia ricevuta e restituirla in modo controllato – sottolinea Ðorđević –. È un passo verso materiali programmabili, capaci di combinare auto-assemblaggio, immagazzinamento di carica e reattività chimica».
Il sistema permette inoltre di creare motivi microscopici all’interno del materiale usando la luce: attraverso un’irradiazione localizzata, i ricercatori hanno ottenuto zone “caricate” nello spazio, che successivamente scompaiono quando l’ossigeno penetra nel materiale e consuma gli elettroni immagazzinati. Questa proprietà apre prospettive per materiali soffici capaci di rispondere nello spazio e nel tempo, con possibili applicazioni future nella microfabbricazione, nei dispositivi adattivi e nella chimica controllata localmente.
Lo studio è stato svolto nell’ambito di una collaborazione internazionale tra Northwestern University e Università di Padova. Il contributo dell’Università di Padova è stato sostenuto dal progetto europeo ERC Starting Grant del prof. Luka Ðorđević, dedicato allo sviluppo di nuovi materiali e processi fotocatalici.
