I fisici dell'Università di Bath hanno scoperto come manipolare e controllare singole molecole per un milionesimo di miliardesimo di secondo, dopo essere stato incuriosito da alcuni risultati apparentemente strani.

La loro nuova tecnica è il modo più sensibile per controllare una reazione chimica su alcune delle scale più piccole che gli scienziati possano lavorare, a livello di singola molecola. Aprirà possibilità di ricerca nei campi della nanoscienza e della nanofisica.

Un esperimento al limite estremo della nanoscienza chiamato "manipolazione molecolare STM (scanning tunneling microscopio)" viene spesso utilizzato per osservare come le singole molecole reagiscono quando vengono eccitate aggiungendo un singolo elettrone.

Un chimico tradizionale può usare una provetta e un becco Bunsen per guidare una reazione; qui hanno usato un microscopio e la sua corrente elettrica per guidare la reazione. La corrente è così piccola che è più simile a una serie di singoli elettroni che colpiscono la molecola bersaglio. Ma l'intero esperimento è un processo passivo:una volta che l'elettrone viene aggiunto alla molecola, i ricercatori osservano solo ciò che accade.

Ma quando la dottoressa Kristina Rusimova ha rivisto i suoi dati dal laboratorio mentre era in vacanza, ha scoperto alcuni risultati anomali in un esperimento standard, che su ulteriori indagini non poteva essere spiegato via. Quando si alza la corrente elettrica, le reazioni vanno sempre più veloci, tranne che qui non lo ha fatto.

La dottoressa Rusimova e i suoi colleghi hanno passato mesi a pensare a possibili spiegazioni per smascherare l'effetto, e ripetendo gli esperimenti, ma alla fine si resero conto di aver trovato un modo per controllare gli esperimenti con una singola molecola a un livello senza precedenti, in una nuova ricerca pubblicata in Scienza .

Il team ha scoperto che mantenendo la punta del microscopio estremamente vicino alla molecola studiata, entro 600-800 trilionesimi di metro, la durata dell'adesione dell'elettrone alla molecola bersaglio può essere ridotta di oltre due ordini di grandezza, e quindi la reazione risultante, qui guidando le singole molecole di toluene a sollevarsi (desorbire) da una superficie di silicio, può essere controllato.

Il team ritiene che ciò sia dovuto al fatto che la punta e la molecola interagiscono per creare un nuovo stato quantico, che offre un nuovo canale in cui l'elettrone può saltare dalla molecola, riducendo quindi il tempo che l'elettrone trascorre sulla molecola e riducendo così le possibilità che quell'elettrone causi una reazione.

Nella sua massima sensibilità, ciò significa che il tempo della reazione può essere controllato per il suo limite naturale a 10 femtosecondi fino a soli 0,1 femtosecondi.

La dott.ssa Rusimova ha dichiarato:"Si trattava di dati di un esperimento assolutamente standard che stavamo facendo perché pensavamo di aver esaurito tutte le cose interessanti, questo era solo un controllo finale. Ma i miei dati sembravano 'sbagliati' - tutti i grafici dovevano andare su e il mio è sceso."

Dottor Peter Sloan, autore principale dello studio, ha aggiunto:"Se questo era corretto, abbiamo avuto un effetto completamente nuovo, ma sapevamo che se volevamo rivendicare qualcosa di così sorprendente che dovevamo fare un po' di lavoro per assicurarci che fosse reale e non fosse dovuto a falsi positivi".

"Penso sempre che il nostro microscopio sia un po' come il Millennium Falcon, non troppo elegante, tenuto insieme dalle persone che lo gestiscono, ma assolutamente fantastico in quello che fa. Tra Kristina e Ph.D. studentessa Rebecca Purkiss, il livello di controllo spaziale che avevano sul microscopio è stata la chiave per sbloccare questa nuova fisica".

Il Dr. Sloan ha aggiunto:"L'obiettivo fondamentale di questo lavoro è sviluppare gli strumenti che ci permettano di controllare la materia a questo limite estremo. Che si tratti di rompere i legami chimici che la natura non vuole davvero che tu rompi, o produrre architetture molecolari termodinamicamente vietate. Il nostro lavoro offre una nuova via per controllare le singole molecole e la loro reazione. In sostanza, abbiamo un nuovo quadrante che possiamo impostare durante l'esecuzione del nostro esperimento. La natura estrema di lavorare su queste scale rende difficile fare, ma abbiamo un'estrema risoluzione e riproducibilità con questa tecnica."

Il team spera che la loro nuova tecnica apra la porta a molti nuovi esperimenti e scoperte su scala nanometrica, grazie alle opzioni che fornisce per la prima volta.