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Il cubo di Rubik chimico

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 21 agosto, 2019 - 10:43

Rinaldo Cervellati 

Come noto al grande pubblico, il cubo di Rubik è un famoso rompicapo 3D (twisty puzzle 3D). E’ stato ideato nel 1974 dall’architetto ungherese Ernő Rubik[1], da cui il nome. Sebbene il cubo di Rubik abbia raggiunto il picco della sua popolarità all’inizio degli anni ’80, è ancora largamente utilizzato. Molti appassionati continuano a confrontarsi in competizioni internazionali nel tentativo di risolvere il cubo di Rubik nel tempo minore possibile e in varie categorie.

Nella C&EN newsletter del 9 agosto scorso, Bethany Halford, col titolo “Rubik’s cube with a chemical twist” [1], informa che un gruppo di ricercatori chimici ha pubblicato una versione chimica del cubo di Rubik [2]. Racconta Halford:

Nel gennaio 2018, Jonathan Sessler[2] (Università del Texas a Austin) era a una riunione che presentava il lavoro svolto dal suo laboratorio realizzando modelli 2D da lastrine di idrogel colorati. Philip A. Gale[3], un chimico dell’Università di Sydney, specializzato in chimica supramolecolare e post-dottorato nel laboratorio di Sessler negli anni 1995-97, lo sfidò a trasformare queste lastrine in un cubo di Rubik. Afferma Gale [1]: “La forma delle matrici di gel di Jonathan mi hanno ricordato la faccia di un cubo di Rubik, mi chiedevo se sarebbe stato possibile costruire un cubo funzionante formato da blocchi di gel che avrebbero potuto essere facilmente riconfigurati”.

Jonathan Sessler e Philip A. Gale

Sessler accettò la sfida e affidò il progetto a Xiaofan Ji ricercatore post-dottorato. Il compito si rivelò una sfida tremenda più del previsto. Ji ha avuto problemi nella sintesi di idrogel con i sei colori necessari per realizzare un cubo di Rubik.

Ben Zhon Tang

Fu solo quando Ji chiese la collaborazione del gruppo del prof. Ben Zhong Tang[4] dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong, che furono scoperti composti che, grazie all’aggregazione, inducevano la fluorescenza quando incorporati in idrogel (AIE Aggegation-Induced Emission), figura 1.

Figura 1. Fotografie di sospensioni acquose di composti AIE (da Da S-1 a S-6: sospensioni blu, verdi, gialle, arancioni, rosse e bianche, rispettivamente) e i corrispondenti idrogel AIE.[2]

Il secondo passo consistette nell’assemblare le lastrine in cubetti con le facce diversamente colorate. Ciò venne realizzato facendo aderire le piastrine fra loro, infatti gli idrogel formano legami incrociati di forza variabile col tempo. Un tempo di contatto di 24 ore garantisce la stabilità della struttura. I cubetti di questi idrogel vennero quindi fatti aderire per 1 ora in una struttura simile a un cubo di Rubik, (RC). Ciò produsse un blocco 3 × 3 × 3 (RC) in cui i singoli blocchi di gel fluorescenti aderiscono debolmente l’uno all’altro. Come conseguenza, è possibile ruotare anche gli strati 1 × 3 × 3 che compongono l’RC orizzontalmente o verticalmente per realizzare nuove forme (figura 2).

Figura 2. Fotografie che mostrano a) la formazione dell’idrogel HG-C attraverso l’adesione macroscopica dell’idrogel HG-0 e degli idrogel AIE HG-1 – HG-6 con ricottura per 24 ore, b) la formazione di un idrogel RC simile a un cubo di Rubik attraverso l’adesione macroscopica per 1 ora di singoli blocchi HG-C di idrogel (3 × 3 × 3), c) idrogel RC fatto rotolare a mano.[2]

La figura 3 mostra le successive rotazioni di 90° su un cubo di Rubick (a sinistra) e il suo analogo chimico (RC) (a destra).

Figura 3 [2]

C’è però un problema: dopo 24 ore, il cubo di Rubik chimico si blocca in quella data posizione. Lo stesso meccanismo che ha permesso al gruppo di ricerca di unire le tessere colorate ha infatti reso il gioco non più giocabile. Dice Sessler: “Fondamentalmente abbiamo realizzato un materiale che, come il gesso di Parigi o l’argilla, nel tempo diventa più duro”.

Anche se ricreare il giocattolo alla moda è stato divertente, Sessler afferma che non è il suo obiettivo finale. Vorrebbe realizzare piastrelle di materiali morbidi e intelligenti che funzionano come i materiali fluorescenti di Tang cambiando colore in presenza di stimoli chimici. Tali piastre potrebbero comunicare informazioni mediche quando vengono posizionati sulla pelle di una persona o guidare robot che eseguono reazioni chimiche, come ad es. una titolazione acido-base.

Infine, ecco il commento di Gale: “È un lavoro elegante e apre un nuovo approccio alla produzione di sensori”, sono lieto che abbiano affrontato la sfida.

Desidero ringraziare Bethany Halford, senior correspondent of ACS C&EN newsletter, per questa notizia che mi ha condotto a approfondire l’argomento sull’articolo originale del gruppo di ricerca cino-americano.

Bethany Halford

Prima di diventare senior correspondent di C&EN, Helford è stata un chimico organico di sintesi, diceva di essere una scultrice su scala molto piccola. Ora scolpisce storie, particolarmente quelle più strane.

Bibliografia

[1] B. Halford, Rubik’s cube with a chemical twist., C&EN news, August 9, 2019.

[2] Xiaofan Ji et al, A Functioning Macroscopic “Rubik’s Cube” Assembled via Controllable Dynamic Covalent Interactions., Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201902365

 

[1] Ernő Rubik (1944-) architetto e scultore ungherese, insegna all’Istituto Universitario d’Arte e Design di Budapest.

[2] Jonathan Sessler (1956-), statunitense, è professore di chimica all’Università del Texas ad Austin. È noto per il suo lavoro pionieristico sulle porfirine espanse e le loro applicazioni in biologia e medicina.

[3] Philip Alan Gale (1969-), chimico britannico, è attualmente direttore della School of Chemistry dell’Università di Sydney. È noto per il suo lavoro sulla chimica supramolecolare degli anioni.

[4] Ben Zon Tang, direttore del Dipartimento di Chimica, The Hong Kong University of Science and Tecnology, esperto di polimeri funzionali e di Aggregate-Induced Emission. Il suo gruppo è costituito da 26 ricercatori.

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[Communications]
Prof. Dr. Fumitaka Kudo, Jiahao Zhang, Shusuke Sato, Dr. Akane Hirayama, Prof. Dr. Tadashi Eguchi
doi.org/10.1002/cbic.201900239

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Novel recognition sequences of a microbial transglutaminase derived from natural substrates were evaluated for fast, efficient, and site-specific production of antibody-drug conjugates. An optimized sequence displayed superior conjugation efficiency in the context of an antibody fusion compared to previously used recognition tags.

[Full Papers]
Aileen Ebenig, Dr. Norbert Egon Juettner, Lukas Deweid, Dr. Olga Avrutina, Dr. Hans-Lothar Fuchsbauer, Prof. Dr. Harald Kolmar
doi.org/10.1002/cbic.201900101

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Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

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[Articles]
Dr. Diab Khalafallah, Chong Ouyang, Dr. Mingjia Zhi, Prof. Zhanglian Hong
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Dynamic Impedance Spectroscopy of Nickel Hexacyanoferrate Thin Films

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

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[Articles]
Collins Erinmwingbovo, Dominique Koster, Dr. Doriano Brogioli, Prof. Fabio La Mantia
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Expanded Porphyrin Contraction: From [22]Triphyrin(6.6.0) to [22]Triphyrin(6.5.0)

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

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Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

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Mengmeng Ma, Ying Wang, Nan Gao, Xinping Liu, Yuhuan Sun, Prof. Jinsong Ren, Prof. Dr. Xiaogang Qu
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<sup>19</sup>F NMR Monitoring of Reversible Protein Post-Translational Modifications: Class D β-Lactamase Carbamylation and Inhibition

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

The enzymatic activity of the clinically relevant class D serine β-lactamases requires lysine carbamylation, a challenging post-translational modification to characterise in solution. We show that 19F NMR is a powerful method for studying protein carbamylation, in addition to other reversible covalent modifications, including inhibitor binding.

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Bromine-Promoted Glycosidation of Conformationally Superarmed Thioglycosides

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

Super sugars! Bromine-promoted glycosylation of aliphatic and sugar alcohols using highly reactive thioglycoside donors was studied. Swift reaction times, high yields, and respectable 1,2-cis stereoselectivity were observed in a majority of these glycosylations.

[Communications]
Matteo Panza, Dr. Monica Civera, Dr. Jagodige P. Yasomanee, Prof. Laura Belvisi, Prof. Alexei V. Demchenko
doi.org/10.1002/chem.201901969

Acene-Modified Small-Molecule Donors for Organic Photovoltaics

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

The promising power conversion efficiencies achieved from the easily synthesized acene-based small molecules and easy control of bulk heterojunction morphologies suggest that acene-based small molecules can be useful materials in organic photovoltaics.” Read more about the story behind the cover in the Cover Profile and about the research itself on page ▪▪ ff. (DOI: 10.1002/chem.201902177).

[Cover Profile]
Min Jae Sung, Jisu Hong, Hyojung Cha, Yifei Jiang, Prof. Chan Eon Park, Prof. James R. Durrant, Prof. Tae Kyu An, Prof. Soon-Ki Kwon, Prof. Yun-Hi Kim
doi.org/10.1002/chem.201902973

Acene-Modified Small-Molecule Donors for Organic Photovoltaics

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

Power conversion efficiencies: The morphologies and charge carrier dynamics of organic photovoltaics that incorporate new acene-modified small molecules are studied (see picture; PCBM=[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PEDOT:PSS=poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate, ITO=indium tin oxide).

[Full Papers]
Min Jae Sung, Jisu Hong, Hyojung Cha, Yifei Jiang, Prof. Chan Eon Park, Prof. James R. Durrant, Prof. Tae Kyu An, Prof. Soon-Ki Kwon, Prof. Yun-Hi Kim
doi.org/10.1002/chem.201902177

Hierarchy in the Halogen Activation During Surface-Promoted Ullmann Coupling

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

The presence of carbon-bromine bonds with similar gas-phase binding energies allows the Ullmann coupling to occur via two different orientations. However, upon adsorption on Au(111), one particular type of carbon-bromine bond is preferentially cleaved, thus selecting a coupling route that leads to the formation of chiral graphene nanoribbons. Nevertheless, the occasional coupling along the second orientation also leads to the lateral fusion of the nanoribbons even at mild temperatures.

[Articles]
Néstor Merino-Díez, Dr. Alejandro Pérez Paz, Dr. Jingcheng Li, Manuel Vilas-Varela, Dr. James Lawrence, Mohammed S. G. Mohammed, Alejandro Berdonces-Layunta, Ana Barragán, Dr. Jose Ignacio Pascual, Dr. Jorge Lobo-Checa, Dr. Diego Peña, Dr. Dimas G. de Oteyza
doi.org/10.1002/cphc.201900633

Molecular Electron Density Distribution and X-Ray Diffraction Patterns of Smectic A Liquid Crystals - A Simulation Study

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

The influence of the molecular form factor is often neglected when calculating translational-order parameters from X-ray diffraction patterns of smectic liquid crystals. The authors calculate different X-ray diffraction patterns from identical smectic A phase snapshots using different molecular electron density distributions to investigate the influence thereof on the resulting 2D X-ray diffraction patterns. They find that the influence cannot always be neglected and discuss the implications of their results on the general assessment of smectic order from XRD patterns.

[Articles]
Christian Haege, Dr. Stefan Jagiella, Prof. Dr. Frank Giesselmann
doi.org/10.1002/cphc.201900538

Lead-Free Perovskites: Metals Substitution towards Environmentally Benign Solar Cell Fabrication

Articles from Wiley - 20 agosto, 2019 - 00:00

Going green: Perovskite solar cells have proven to be a strong contender in the race toward renewable energy; however, the use of Pb in the best-performing cells raises toxicity concerns, leaving researchers looking for greener alternatives. The main approaches towards the development of Pb-free perovskite materials for solar cells are summarized in this Review article.

[Reviews]
Dr. Ahmed Esmail Shalan, Dr. Samrana Kazim, Prof. Shahzada Ahmad
doi.org/10.1002/cssc.201901296

The first GMO probiotic is for sale; it's designed to prevent hangovers

Chemical News - 19 agosto, 2019 - 23:31
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