Il progetto FUELMAT, finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero per la ricerca scientifica (FNS) e dal Dipartimento di Scienza e Tecnologia indiano, mira a combinare le tecniche più avanzate di studio computazionale e sintesi in laboratorio per investigare le dinamiche di comportamento dei materiali bio-mimetici auto-assemblanti.

Avviato nel 2019 e attualmente in conclusione, FUELMAT si occupa dello studio e della progettazione razionale di polimeri supramolecolari sintetici che manifestino un comportamento dinamico, adattivo e controllato da combustibili molecolari (es. ATP, GTP, ADP) secondo un meccanismo simile a quello di numerosi tessuti biologici (es. citoscheletro cellulare).

In particolare, il Laboratorio di scienza dei materiali computazionale (CMS) dell’Istituto di ingegneria meccanica e tecnologia dei materiali (MEMTi) si è occupato dello studio di modellazione molecolare e delle simulazioni computazionali. I modelli molecolari a diversi livelli di risoluzione sviluppati presso la SUPSI hanno permesso lo studio della dinamica di differenti tipi di materiali auto-assemblanti in grado di formare svariate strutture supramolecolari. Il Laboratorio di chimica supramolecolare del JNCASR, guidato dal Prof. Subi J. George, ha invece condotto il relativo lavoro sperimentale.

«In natura esistono materiali che, assorbendo molecole dall’ambiente e convertendole in qualcos’altro, sono in grado di trasformare l’energia e compiere lavoro consumando “carburante molecolare”. L’idea alla base di questo progetto è di esplorare tramite simulazioni molecolari i criteri fondamentali che permettano di progettare materiali artificiali con tali proprietà dinamiche, piu’ simili a quelle delle macchine che a quelle dei materiali convenzionali» afferma il Prof. Giovanni Maria Pavan, Responsabile del CMS lab del MEMTi.

I materiali auto-assemblanti studiati in questo progetto sfruttano la mediazione di appropriate specie molecolari che agiscono da “combustibile”, regolando i processi di assemblaggio e disassemblaggio e la dinamica delle fibre supramolecolari che si formano in questi sistemi. Sfruttando tali meccanismi, questi materiali sono in grado di riprodurre proprietà tipiche dei materiali viventi, quali ad esempio la capacità di adattarsi, rispondere a stimoli esterni e auto-ripararsi. Per capire come funzionano tali sistemi è però necessario penetrarne i dettagli ad altissima risoluzione, il ché ha reso fondamentale l’utilizzo di modelli atomistici e molecolari.

«I modelli molecolari che abbiamo sviluppato nel nostro laboratorio ci hanno permesso di studiare le proprietà chimiche e fisiche essenziali dei materiali sintetizzati e analizzati sperimentalmente» prosegue Claudio Perego, Ricercatore Senior del CMS lab.

La ricerca condotta nel progetto ha permesso non solo di studiare materiali già esistenti e sintetizzati in laboratorio, ma anche di studiare e delineare caratteristiche generali di questi materiali auto-assemblanti, e di esplorare i principi fondamentali per progettare nuovi tipi di materiali con proprietà dinamiche programmabili.

La sintesi fra risultati computazionali ottenuti nel CMS lab e i risultati sperimentali ottenuti nel laboratorio del Prof. Subi J. George al JNCASR, ha determinato un notevole passo in avanti nella comprensione e progettazione di nuovi materiali biomimetici.
 

Maggiori informazioni

I risultati del progetto FUELMAT sono stati presentati in numerose pubblicazioni, conferenze e workshop internazionali.

• Multiscale Molecular Modelling of ATP-Fueled Supramolecular Polymerisation and Depolymerisation
• Self-Sorted, Random, and Block Supramolecular Copolymers via Sequence Controlled, Multicomponent Self-Assembly
• Cooperative Supramolecular Block Copolymerization for the Synthesis of Functional Axial Organic Heterostructures
• Molecular communications in complex systems of dynamic supramolecular polymers