(Sinistra) Illustrazione di molecole isolate intrappolate tra strati di oro e ossido di alluminio utilizzando una nanoscopia con punta avanzata. (Destra) Visualizzazione delle modalità di vibrazione di una molecola di blu cresile brillante (BCB) con diverse conformazioni. Credito:POSTECH
Il sogno di lunga data dei chimici di osservare la dinamica strutturale di una singola molecola è stato reso possibile. Singole molecole di dimensioni di circa 1 nanometro esistono in uno stato volatile in condizioni ambientali. Considerare che il coronavirus, che ha una dimensione di circa 100 nm, si diffonde rapidamente nell'aria mostra quanto sia difficile osservare una singola molecola. Di recente, un team di ricerca coreano ha scoperto un modo affidabile per osservare singole molecole a temperatura ambiente ricoprendole con un sottile strato isolante, come una coperta.
Il gruppo di ricerca guidato dal professor Kyoung-Duck Park e Ph.D. il candidato Mingu Kang (Dipartimento di Fisica) presso POSTECH, in collaborazione con il Professor Yung Doug Suh (Dipartimento di Chimica) dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), ha sondato con successo la conformazione (disposizione degli atomi in una molecola) di singole molecole a temperatura ambiente per la prima volta, fornendo uno sguardo più da vicino alla dinamica strutturale di una singola molecola, che è l'unità di base di tutte le questioni, compreso l'uomo.
Un'analisi approfondita utilizzando segnali di scattering Raman, noti come "impronta digitale" molecolare, è difficile per le molecole esposte all'aria a causa delle continue reazioni chimiche e dei movimenti molecolari. Le condizioni di temperatura estremamente bassa (inferiore a -200 °C) e di vuoto sono state ampiamente utilizzate per gli studi su singola molecola per prevenire i problemi di cui sopra, tuttavia le configurazioni hanno molti limiti in termini di difficoltà tecniche e condizioni ambientali.
Per ovviare a questo, il team di ricerca ha posizionato una singola molecola su un substrato ricoperto da una sottile pellicola d'oro e l'ha ricoperta con uno strato molto sottile di ossido di alluminio (Al2 O3 ). La molecola intrappolata tra gli strati di oro e ossido di alluminio viene isolata dall'ambiente circostante, il che porta a reazioni chimiche e movimenti molecolari soppressi.
La molecola immobilizzata viene quindi osservata attraverso la nanoscopia ultrasensibile con punta avanzata sviluppata dal team di ricerca. L'uso del metodo consente il rilevamento preciso di segnali ottici deboli di una singola molecola, a causa dell'effetto dell'antenna ottica della punta affilata di metallo. In questo modo è stato superato il limite di risoluzione di una microscopia ottica generale (circa 500 nm) per distinguere chiaramente l'eterogeneità conformazionale di singole molecole di 1 nm e verificare se sono in piedi verticalmente o orizzontalmente.
Mingu Kang di POSTECH afferma che "mentre il James Webb Space Telescope può osservare il punto più lontano dell'universo osservabile per rivelare l'origine dell'universo, la nostra nanoscopia per singole molecole osserva l'unità più piccola per rivelare l'origine della vita".
Il lavoro può rivelare la conformazione molecolare delle proteine e del DNA con una risoluzione di livello nanometrico, che porta all'identificazione della causa di malattie incurabili e allo sviluppo di trattamenti per tali condizioni. Inoltre, la copertura di un campione con uno strato sottile può essere facilmente applicata a temperatura ambiente o anche a temperature più elevate per studi su singole molecole e relative applicazioni.
Lo studio è stato recentemente pubblicato su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
