Ricercatori dell'Istituto di Chimica Organica e Biochimica del CAS (IOCB Praga) e collaboratori istituzionali hanno dimostrato per la prima volta un effetto piezoelettrico a singola molecola. Lo studio, pubblicato in Giornale della Società Chimica Americana , rappresenta una svolta nella comprensione del comportamento elettromeccanico delle singole molecole e fornisce un nuovo concetto di progettazione di motori molecolari, sensori e generatori di elettricità su scala nanometrica.

L'effetto piezoelettrico emerge in alcuni materiali in cui le proprietà meccaniche ed elettriche sono accoppiate. Il campo elettrico può essere generato se viene applicata una sollecitazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto) oppure, al contrario, la deformazione meccanica può verificarsi se viene applicato il campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso).

Questi effetti hanno numerose applicazioni pratiche nel settore automobilistico, smartphone, computer, industrie mediche e militari. L'effetto piezoelettrico è impiegato negli smartphone, microfoni, accendini, sistemi airbag, sonar e microscopi a scansione. Però, l'effetto piezoelettrico a singola molecola, che è essenziale per i futuri dispositivi molecolari elettromeccanici, è rimasto finora inafferrabile.

"In stretta collaborazione con i fisici, è stato dimostrato per la prima volta che un forte effetto piezoelettrico inverso può essere osservato su singole molecole del derivato dell'eptaelicene, che è una molecola di carbonio simile a una vite che ricorda una molla, " disse Ivo Starý, il capo del gruppo di chimici dell'IOCB Praga che prepara il composto.

L'effetto è stato dimostrato sperimentalmente dal gruppo di fisici dell'IP CAS su singole molecole su una superficie d'argento mediante microscopia a scansione di sonda. Il leader del gruppo Pavel Jelínek afferma:"L'entità della costante piezoelettrica calcolata dai dati sperimentali è significativamente superiore a quella dei polimeri piezoelettrici noti ed è paragonabile alle grandezze misurate su alcuni materiali inorganici come l'ossido di zinco. Inoltre, abbiamo spiegato l'origine dell'effetto piezoelettrico della singola molecola impiegando calcoli di meccanica quantistica".

Come funziona l'effetto piezoelettrico inverso su scala nanometrica? La molecola a forma di vite dotata di un dipolo interno si allunga o si comprime a seconda della forza e della polarità del campo elettrico esterno. Nasce applicando una polarizzazione di tensione tra il pad d'argento e la punta atomicamente affilata del microscopio a scansione che risiede sopra la molecola studiata. Poiché la variazione dell'altezza di una molecola può essere monitorata con la massima precisione, è possibile osservare una deformazione della molecola indotta dal campo elettrico. Tale accoppiamento del movimento meccanico di una molecola e la variazione del campo elettrico, che è reciproco per teoria, rappresenta un ingresso nel mondo delle molecole che svolgono lavori meccanici, così come nanogeneratori molecolari di energia elettrica.