I chimici della Tufts University hanno sviluppato il primo motore elettrico a singola molecola al mondo, che potrebbe potenzialmente creare una nuova classe di dispositivi che potrebbero essere utilizzati in applicazioni che vanno dalla medicina all'ingegneria. Il motore molecolare è stato alimentato da elettricità da uno stato dell'arte, microscopio a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura. Questo microscopio ha inviato una corrente elettrica attraverso la molecola, dirigendo la molecola a ruotare in una direzione o nell'altra. La molecola aveva una base di zolfo (gialla); quando posto su una lastra conduttiva di rame (arancione), si è ancorato alla superficie. La molecola contenente zolfo aveva atomi di carbonio e idrogeno che si irradiavano per formare quelli che sembrano due bracci (grigi); queste catene di carbonio erano libere di ruotare attorno al legame centrale zolfo-rame. I ricercatori hanno scoperto che riducendo la temperatura della molecola a cinque Kelvin (K), o circa meno 450 gradi Fahrenheit (ºF), ha permesso loro di influenzare con precisione la direzione e la velocità di rotazione del motore molecolare Il team di Tufts prevede di presentare questo motore elettrico in miniatura al Guinness World Records. La ricerca è stata pubblicata online il 4 settembre in Nanotecnologia della natura. Credito:Heather L. Tierney, Colin J. Murphy, aprile D. Jewell, Ashleigh E. Baber, Erin V. Iski, Harout Y. Khodaverdian, Allister F. McGuire, Nikolai Klebanov e E. Charles H. Sykes.
I chimici della School of Arts and Sciences della Tufts University hanno sviluppato il primo motore elettrico a singola molecola al mondo, uno sviluppo che potrebbe potenzialmente creare una nuova classe di dispositivi che potrebbero essere utilizzati in applicazioni che vanno dalla medicina all'ingegneria.
In una ricerca pubblicata online il 4 settembre in Nanotecnologia della natura, il team di Tufts riporta un motore elettrico che misura solo 1 nanometro di diametro, lavoro pionieristico considerando che l'attuale record mondiale è un motore da 200 nanometri. Una singola ciocca di capelli umani è di circa 60, 000 nanometri di larghezza.
Secondo E. Charles H. Sykes, dottorato di ricerca, professore associato di chimica alla Tufts e autore senior del documento, il team prevede di presentare il motore elettrico costruito da Tufts al Guinness World Records.
"Ci sono stati progressi significativi nella costruzione di motori molecolari alimentati dalla luce e da reazioni chimiche, ma questa è la prima volta che vengono dimostrati motori molecolari azionati elettricamente, nonostante alcune proposte teoriche, " dice Sykes. "Siamo stati in grado di dimostrare che è possibile fornire elettricità a una singola molecola e farle fare qualcosa che non è solo casuale".
Sykes e i suoi colleghi sono stati in grado di controllare un motore molecolare con l'elettricità utilizzando uno stato dell'arte, microscopio a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura (LT-STM), uno dei soli 100 negli Stati Uniti. L'LT-STM utilizza gli elettroni invece della luce per "vedere" le molecole.
Il team ha usato la punta di metallo del microscopio per fornire una carica elettrica a una molecola di butilmetil solfuro che era stata posta su una superficie conduttiva di rame. Questa molecola contenente zolfo aveva atomi di carbonio e idrogeno che si irradiavano per formare quelli che sembravano due braccia, con quattro carboni da un lato e uno dall'altro. Queste catene di carbonio erano libere di ruotare attorno al legame zolfo-rame.
Il team ha determinato che controllando la temperatura della molecola potevano avere un impatto diretto sulla rotazione della molecola. Temperature intorno ai 5 Kelvin (K), o circa meno 450 gradi Fahrenheit (ºF), si è rivelato l'ideale per tracciare il movimento del motore. A questa temperatura, i ricercatori di Tufts sono stati in grado di tracciare tutte le rotazioni del motore e analizzare i dati.
Sebbene ci siano prevedibili applicazioni pratiche con questo motore elettrico, sarebbe necessario compiere progressi nelle temperature alle quali operano i motori molecolari elettrici. Il motore gira molto più velocemente a temperature più elevate, rendendo difficile misurare e controllare la rotazione del motore.
"Una volta che avremo una migliore comprensione delle temperature necessarie per far funzionare questi motori, potrebbe esserci un'applicazione nel mondo reale in alcuni dispositivi medici e di rilevamento che coinvolgono tubi minuscoli. L'attrito del fluido contro le pareti del tubo aumenta a queste piccole scale, e coprire il muro con motori potrebbe aiutare a guidare i fluidi, "ha detto Sykes. "Accoppiare il movimento molecolare con i segnali elettrici potrebbe anche creare ingranaggi in miniatura in circuiti elettrici su scala nanometrica; questi ingranaggi potrebbero essere utilizzati in linee di ritardo in miniatura, che vengono utilizzati in dispositivi come i telefoni cellulari."
Il volto mutevole della chimica
Gli studenti dal liceo al dottorato hanno svolto un ruolo fondamentale nel complesso compito di raccogliere e analizzare il movimento dei minuscoli motori molecolari.
"Il coinvolgimento in questo tipo di ricerca può essere illuminante, e in alcuni casi cambia la vita, esperienza per studenti, " disse Sykes. "Se riusciamo a far interessare la gente alle scienze prima, attraverso progetti come questo, c'è una maggiore possibilità che possiamo avere un impatto sulla carriera che scelgono più avanti nella vita".
Come prova che acquisire presto una base scientifica può essere importante, uno degli studenti delle scuole superiori coinvolti nella ricerca, Nikolai Klebanov, ha continuato a iscriversi a Tufts; ora è al secondo anno di specializzazione in ingegneria chimica.
