Autocatalisi: un modello semplice ne comprende la fisica

Quello dell’autocatalisi, cioè l’accelerazione di una reazione chimica grazie alle stesse molecole prodotte nella reazione, è un processo piuttosto comune in chimica, biofisica e nella scienza dei materiali. Corrisponde, nel linguaggio comune, al meccanismo del “più ce n’è, più velocemente se ne formerà ancora”.  L’autocatalisi è presente nella reazione che, ad esempio, attraverso la polimerizzazione di monomeri semplici di natura epossidica ed amminica, porta alla formazione di materiali altamente adesivi impiegati nell’industria automobilistica  ed aerospaziale. L’autocatalisi è altresì molto importante nei processi chimici degli organismi viventi e probabilmente ha giocato un ruolo cruciale nella nascita della vita sulla Terra. Si pensa infatti che reazioni autocatalitiche siano alla base della sintesi prebiotica dei mattoni molecolari fondamentali per la vita, della successiva nascita di sistemi che si auto-replicano ed evolvono. Un nuovo studio, ora pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre nuovi scenari di conoscenza per coloro che studiano e progettano come sfruttare i processi di aggregazione autocatalitica delle molecole. 
Lo studio, nato da una collaborazione tra il Dipartimento di Fisica della “Sapienza” Università di Roma (Cristiano De Michele e Francesco Sciortino) ed il Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia (Silvia Corezzi), ha permesso di sviluppare una comprensione più profonda  del processo autocatalitico, mettendo in evidenza il ruolo di un inaspettato meccanismo che elude la descrizione chimica del processo. Il modello sviluppato riesce a far luce su un problema aperto da molto tempo sul meccanismo con cui si formano importanti materiali quali le resine epossidiche.
 
I risultati raggiunti promettono molto di più. Il modello utilizzato assimila ogni molecola reattiva ad una particella che gli scienziati chiamano patchy, costituita da un corpo solido centrale di forma e volume simili a quelli della molecola reale e sul quale si affacciano aree dotate di proprietà attrattive verso aree analoghe presenti sulle altre particelle. “Si tratta – spiega  Silvia Corezzi - di un modello minimalista, direttamente ispirato alla Natura, che gli studiosi già da tempo utilizzavano per simulare il comportamento di sistemi aggreganti, ma che risultava totalmente privo di capacità autocatalitica. La nuova ricerca individua invece quale sia la chiave per generare, al computer come in laboratorio, particelle patchy autocatalitiche.” Queste particelle hanno un grande potenziale per comprendere i meccanismi molecolari di numerosi processi; inoltre potranno servire per progettare la costruzione artificiale di materiali la cui struttura risulti modulata dalla tempistica con cui i suoi stessi costituenti molecolari si vengono a formare.
 
Particelle patchy autocatalitiche potranno essere realizzate come sistema reale utilizzando ad esempio opportune macromolecole basate su filamenti di DNA che si possono oggigiorno facilmente sintetizzare in laboratorio. “Se da un lato tali esperimenti potranno confermare le predizioni del nostro approccio - commenta Cristiano De Michele - dall’altro potranno offrire interessanti spunti per meglio comprendere come la vita sulla Terra abbia iniziato a svilupparsi a partire da costituenti molecolari meno complessi che attraverso reazioni autocatalitiche si sono organizzati fino alla sorprendente complessità del nostro organismo”.  Secondo gli autori questo studio apre una nuova era nell’uso delle particelle patchy.

Reference:
Exploiting limited valence ‘patchy’ particles to understand autocatalytic kinetics
Silvia Corezzi, Francesco Sciortino & Cristiano De Michele