Le molecole si formano solitamente in recipienti di reazione o palloni da laboratorio. Un gruppo di ricerca dell'Empa è ora riuscito a produrre molecole tra due microscopici, punte d'oro mobili – in un certo senso come un esemplare unico "lavorato a mano". Le proprietà delle molecole possono essere monitorate in tempo reale mentre vengono prodotte. I risultati della ricerca sono stati appena pubblicati su Comunicazioni sulla natura .

La fabbricazione di componenti elettronici di solito segue un percorso dall'alto verso il basso in laboratori fisici specializzati. Utilizzando strumenti di intaglio speciali in camere bianche, gli scienziati sono in grado di fabbricare strutture che raggiungono solo pochi nanometri. Però, la precisione atomica rimane molto impegnativa e di solito richiede microscopi speciali come un microscopio a forza atomica (AFM) o un microscopio a effetto tunnel (STM). I chimici, d'altra parte, ottengono abitualmente un tour de force:possono sintetizzare un gran numero di molecole che sono tutte esattamente identiche. Ma sintetizzare una singola molecola con precisione atomica e monitorare questo processo di assemblaggio rimane una sfida formidabile.

Un gruppo di ricerca dell'Empa, l'Università di Basilea e l'Università di Oviedo sono ora riuscite a fare proprio questo:i ricercatori hanno sintetizzato molecole a forma di catena tra due microscopiche punte d'oro. Ogni molecola viene creata individualmente. Le proprietà della molecola risultante possono essere monitorate e documentate in tempo reale durante la sintesi.

Micro-manifattura tra le punte d'oro

Anton Vladyka, Jan Overbeck e Mickael Perrin lavorano al laboratorio "Transport at Nanoscale Interfaces" dell'Empa, guidato da Michel Calame. Per i loro esperimenti, hanno usato una tecnica chiamata giunzione a rottura controllabile meccanicamente (MCBJ). Un ponte d'oro sottile solo pochi nanometri viene lentamente allungato in una soluzione di reagente fino a quando non si rompe. Le singole molecole possono attaccarsi alle punte di frattura del nanoponte e subire reazioni chimiche.

I ricercatori dell'Empa hanno immerso le punte d'oro in una soluzione di 1, 4-diisocianobenzene (DICB), una molecola con forti dipoli elettrici ad entrambe le estremità. Queste estremità altamente cariche si legano facilmente agli atomi d'oro. Il risultato:quando il ponte è fatto a pezzi, una molecola DICB stacca i singoli atomi d'oro dal contatto e costruisce così una catena molecolare. Ogni molecola DICB è seguita da un atomo d'oro, seguito da un'altra molecola DICB, un atomo d'oro, e così via.

Sorprendentemente, l'assemblaggio molecolare non dipendeva da alcuna coincidenza, ma ha funzionato in modo altamente riproducibile, anche a temperatura ambiente. I ricercatori hanno ripetutamente aperto e chiuso il ponte d'oro per comprendere meglio il processo. In 99 prove su 100 si sono formate catene molecolari identiche di oro e DICB. Monitorando la conduttività elettrica tra i contatti in oro, i ricercatori sono stati persino in grado di determinare la lunghezza della catena. È possibile rilevare fino a tre maglie di catena. Se si formano quattro o più maglie di catena, la conduttività è troppo bassa e la molecola rimane invisibile durante questo esperimento.

Questo nuovo metodo consente ai ricercatori di produrre molecole elettricamente conduttive come campioni unici e di caratterizzarle utilizzando una varietà di metodi. Ciò apre possibilità completamente nuove per modificare le proprietà elettriche delle singole molecole direttamente ("in situ") e per regolarle con precisione atomica. Questo è considerato un passo cruciale verso l'ulteriore miniaturizzazione dei componenti elettronici. Allo stesso tempo, offre approfondimenti sui processi di trasporto a livello atomico. "Per scoprire nuove proprietà negli assemblaggi molecolari, dobbiamo prima essere in grado di costruire queste strutture molecolari in modo riproducibile, " dice Michel Calame. "Questo è esattamente ciò che abbiamo ottenuto ora".