I nanotecnologi assemblano intricati nanodispositivi, come chip per computer, molecola per molecola utilizzando tecniche “bottom-up” che rispecchiano la natura. Un approccio trasporta le molecole lungo le superfici in disposizioni nuove e funzionali utilizzando gli elettroni provenienti dalla punta di un microscopio a effetto tunnel (STM). Però, perché il trasferimento di energia tra la punta su scala atomica e la sostanza chimica di superficie comporta molte interazioni complesse, attualmente sono necessari laboriosi sforzi per comprendere anche le reazioni più semplici.

Risultati di un nuovo studio teorico e sperimentale, però, potrebbe presto consentire ai non specialisti di costruire facilmente dispositivi molecolari. Kenta Motobayashi e Yousoo Kim del RIKEN Advanced Science Institute di Wako e i loro colleghi del RIKEN e delle università giapponesi hanno sviluppato una formula matematica che descrive come le vibrazioni molecolari indotte da STM si accoppiano con i movimenti dinamici sulle superfici, consentendo un calcolo preciso dell'energia e del numero di elettroni necessari per avviare i movimenti delle singole molecole.

Quando gli scienziati utilizzano un STM per eseguire un movimento molecolare diretto, ad esempio, facendo "saltare" i composti di monossido di carbonio (CO) sulle superfici di palladio, vedono che la frazione dei movimenti riusciti dipende fortemente dalla tensione applicata. Per CO, questo perché saltare da una superficie all'altra richiede un elettrone tunnel per avviare una specifica vibrazione di stiramento. Nell'intervallo di tensione corrispondente a questa energia vibrazionale, Il CO hopping può aumentare esponenzialmente, dando luogo ai cosiddetti 'spettri di azione':curve di rendimento di movimento in funzione della tensione con forme caratteristiche di particolari reazioni superficiali.

Motobayashi, Kim e colleghi hanno cercato di scoprire i meccanismi microscopici alla base della diffusione stimolata da STM proponendo una formula che mette in relazione i rendimenti del movimento con l'efficienza del trasferimento di energia necessaria per eccitare le vibrazioni che innescano la reazione, tenendo conto anche delle interazioni termiche. L'adattamento degli spettri di azione della CO a questa formula ha rivelato le dimensioni esatte delle proprietà di reazione critiche, come energie vibrazionali e costanti di velocità, perché le curve spettrali erano altamente sensibili a piccole modifiche dei parametri di adattamento.

Per di più, la nuova equazione del team si è rivelata abbastanza versatile da analizzare i movimenti più complessi del butene (C ₄ h ₈ ) molecole su palladio, un processo che coinvolge più eccitazioni. L'analisi degli spettri di azione del butene con la formula ha mostrato la presenza di tre vibrazioni distinte e ha consentito il calcolo dell'ordine di reazione, una proprietà chimica fondamentale che identifica il numero di elettroni tunnel necessari per avviare il movimento della superficie.

Secondo Motobayashi, le sorprendenti capacità di questo semplice metodo dovrebbero espandere le pratiche di nanotecnologia dal basso verso l'alto. “Spettroscopia d'azione basata su STM, che può identificare con precisione le specie chimiche grazie ai nostri raccordi spettrali, promette di contribuire notevolmente alla tecnica di composizione di dispositivi molecolari, " afferma.