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La luce "scrive"
L'esempio più ovvio relativo alla possibilità di ottenere informa-
zioni attraverso la luce che "scrive" è il processo fotografico, che
fu scoperto empiricamente molto prima che la fotochimica diven-
tasse una scienza. Negli ultimi anni le tecniche di "scrivere" con
la luce sulla materia (e anche di "cancellare" mediante la luce
elementi di informazione precedentemente scritti) hanno ricevu-
to un forte impulso [7]. È interessante notare che Giacomo Cia-
mician, all'inizio del 1900, aveva già intuito che le sostanze foto-
cromiche [8], cioè composti che possono esistere come isomeri
diversamente colorati convertibili mediante la luce, potevano es-
sere usate come mezzo di comunicazione sociale [9]. Ciami-
cian, tuttavia, non poteva prevedere la grande importanza che la
logica binaria [10], intrinseca nelle sostanze fotocromiche,
avrebbe avuto nel campo dell'elaborazione e dell'immagazzina-
mento delle informazioni e non poteva neppure immaginare che
i laser, con i loro fasci di luce monocromatici, intensi e ben colli-
mati, sarebbero stati usati come congegni per scrivere [11].
La luce "legge"
Lo spettro di assorbimento e lo spettro di emissione sono ca-
ratteristiche intrinseche di ogni specie molecolare e, pertanto,
attraverso di essi è possibile individuare se una specifica so-
stanza è presente in un sistema e anche misurarne la concen-
trazione. Inoltre, il fatto che alcune caratteristiche degli spettri
di assorbimento e di emissione siano sensibili all'interazione
della molecola col solvente o con altre specie presenti in solu-
zione, apre la possibilità di usare una molecola come "repor-
ter", cioè come spia che ci permette di conoscere le proprietà
chimico-fisiche di un certo ambiente o la presenza, in quell'am-
biente, di una specifica sostanza. Questo è il vasto e ben noto
campo degli indicatori e dei sensori [12]. La luminescenza,
però, come vedremo nei paragrafi che seguono, può essere
usata, oltre che per ottenere, anche per elaborare informazioni
in sistemi progettati per sviluppare una fotonica molecolare.
Elettronica e fotonica molecolare
La corsa sempre più pressante verso la miniaturizzazione ha
dato origine all'idea che nei congegni elettronici i componenti
che elaborano le informazioni (fili, diodi, porte logiche) possa-
no essere costruiti non più con l'approccio "dall'alto", cioè lavo-
rando con tecniche litografiche opportuni materiali macroscopi-
ci, ma con l'approccio "dal basso", cioè partendo da molecole
e costruendo con esse sistemi supramolecolari capaci di svol-
gere le funzioni desiderate (elettronica molecolare). A tal fine,
sono stati riportati e sono tuttora in corso studi sulle proprietà
elettriche di varie classi di molecole, nonché tentativi di combi-
nare componenti molecolari per ottenere circuiti elettronici a
scala nanometrica [13].
Nei dispositivi elettronici, sia convenzionali sia molecolari, il
trattamento dell'informazione avviene mediante segnali elettri-
ci, cioè attraverso flussi di elettroni. C'è però un'altra possibilità,
che consiste nel trattare l'informazione su base ottica anziché
elettronica, cosa che nei sistemi macroscopici già avviene con i
fasci di luce che viaggiano nelle fibre ottiche (fotonica). Come
nel caso dell'elettronica, si può pensare di sviluppare la fotoni-
ca a livello molecolare e i primi tentativi in questo campo hanno
portato a risultati concettualmente molto interessanti, anche se
ben lontani da applicazioni pratiche. Per ragioni di spazio, ci li-
miteremo ad illustrare solo alcuni esempi di dispositivi fotonici a
livello molecolare, rimandando ad una recente monografia [4] il
lettore interessato ad una più completa discussione.
Fili
La realizzazione di fili molecolari lungo i quali possono "passa-
re" fotoni è un problema di grande interesse che può essere ri-
solto assemblando in maniera appropriata opportuni componenti
molecolari. Ad esempio, collegando i complessi Ru(bpy)
3
2+
e
Os(bpy)
3
2+
(bpy=2,2'-dipiridina) mediante una catena polifenileni-
ca, si ottiene un sistema supramolecolare lungo circa 4,2 nm, in
cui l'eccitazione luminosa del complesso di Ru è seguita dal ve-
loce trasferimento di energia elettronica (k=1,3
×
10
6
s
-1
) al com-
plesso di Os, con conseguente emissione di luce da parte di
quest'ultimo [14]. La velocità del processo dipende dalla lun-
ghezza del filo e dalla sua natura chimica, tanto è vero che, se
uno degli anelli benzenici viene sostituito, ad esempio, con un
bicicloottano, che ha circa la stessa lunghezza del benzene, ma
interrompe la coniugazione
lungo il filo, la costante di velocità
del processo diminuisce di alcuni ordini di grandezza.
Interruttori
Se lungo un filo molecolare si introduce un appropriato compo-
nente capace di esistere in due stati interconvertibili con input
esterni (ad esempio, una molecola fotocromica), è possibile per-
mettere od impedire il passaggio di energia, realizzando così a
livello molecolare la funzione analoga a quella di un interruttore
macroscopico. Un esempio è offerto dal sistema mostrato in Fi-
gura 1, nel quale il trasferimento di energia fotoindotto dal com-
ponente D al componente A, posti alle estremità del filo, può es-
sere permesso o proibito a seconda dello stato in cui si trova il
componente P, opportunamente inserito lungo il filo [15]. Nel ca-
so specifico, il donatore (D) è l'antracene, l'accettore (A) è una
cumarina e il componente P è una molecola fotocromica della
famiglia dei fulgidi, che può essere trasformata reversibilmente
da una forma chiusa, P
a
, ad una forma aperta, P
b
. Quando P è
nello stato P
a
, eccitando D non si osserva la luminescenza di A,
cosa che invece si verifica quando P è nella forma P
b
.
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Figura 2 - Un sistema presa/spina a livello molecolare