La copertina della natura
(PhysOrg.com) -- Ridotto al massimo:il senza emissioni, auto a 4 ruote motrici silenziosa, sviluppato congiuntamente dai ricercatori dell'Empa e dai loro colleghi olandesi, rappresenta la costruzione leggera nella sua forma più estrema. La nano macchina è composta da una sola molecola e viaggia su quattro ruote azionate elettricamente in linea quasi retta su una superficie di rame. Il “prototipo” si può ammirare sulla copertina dell'ultima edizione di Natura .
Per eseguire lavori meccanici, di solito ci si rivolge ai motori, che trasformano chimica, energia termica o elettrica in energia cinetica al fine di, dire, trasportare merci da A a B. La natura fa la stessa cosa; nelle cellule, le cosiddette proteine motorie, come la chinesina e la proteina muscolare actina, svolgono questo compito. Di solito scivolano lungo altre proteine, simile a un treno su rotaie, e nel processo "brucia" l'ATP (adenosina trifosfato), il combustibile chimico, per così dire, del mondo vivente.
Misurando circa 4x2 nanometri, l'auto molecolare avanza su una superficie di rame su quattro ruote azionate elettricamente.
Un certo numero di chimici mira a utilizzare principi e concetti simili per progettare macchine di trasporto molecolare, che potrebbe quindi svolgere compiti specifici su scala nanometrica. Secondo un articolo dell'ultimo numero della rivista scientifica “Nature”, scienziati dell'Università di Groningen e dell'Empa hanno compiuto con successo “un passo decisivo sulla strada dei sistemi di trasporto artificiali su nanoscala”. Hanno sintetizzato una molecola da quattro unità motorie rotanti, cioè ruote, che può viaggiare dritto in modo controllato. “Per fare questo, la nostra macchina non ha bisogno di rotaie né di benzina; funziona con l'elettricità. Dev'essere l'auto elettrica più piccola del mondo e ha persino la trazione integrale” commenta il ricercatore dell'Empa Karl-Heinz Ernst.
Autonomia per serbatoio di carburante:ancora margini di miglioramento
Il rovescio della medaglia:l'auto piccola, che misura circa 4x2 nanometri – circa un miliardo di volte più piccolo di una VW Golf – deve essere rifornito di elettricità dopo ogni mezzo giro delle ruote – tramite la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM). Per di più, grazie al loro design molecolare, le ruote possono girare solo in una direzione. “In altre parole:non c'è la retromarcia”, dice Ernesto, che è anche professore all'Università di Zurigo, laconicamente.
Secondo il suo "piano di costruzione" l'azionamento della complessa molecola organica funziona come segue:dopo averla sublimata su una superficie di rame e aver posizionato su di essa una punta STM lasciando un ragionevole spazio, collega di Ernst, Manfred Parschau, applicato una tensione di almeno 500 mV. Ora gli elettroni dovrebbero "tunnel" attraverso la molecola, innescando così cambiamenti strutturali reversibili in ciascuna delle quattro unità motorie. Inizia con un'isomerizzazione cis-trans che avviene in corrispondenza di un doppio legame, una sorta di riarrangiamento – in una posizione estremamente sfavorevole in termini spaziali, anche se, in cui grandi gruppi laterali combattono per lo spazio. Di conseguenza, i due gruppi laterali si inclinano per superarsi e tornano nella posizione di partenza energicamente più favorevole – la ruota ha compiuto mezzo giro. Se tutte e quattro le ruote girano contemporaneamente, l'auto dovrebbe viaggiare in avanti. Almeno, secondo la teoria basata sulla struttura molecolare.
Guidare o non guidare:una semplice questione di orientamento
Ed è quello che hanno osservato Ernst e Parschau:dopo dieci stimolazioni STM, la molecola si era spostata in avanti di sei nanometri, in linea più o meno retta. “Le deviazioni dalla traiettoria prevista derivano dal fatto che non è affatto banale stimolare contemporaneamente tutte e quattro le unità motorie”, spiega il “collaudatore” Ernst.
Un altro esperimento ha mostrato che la molecola si comporta davvero come previsto. Una parte della molecola può ruotare liberamente attorno all'asse centrale, un legame singolo CC – il telaio dell'auto, per così dire. Può quindi “atterrare” sulla superficie del rame con due orientamenti diversi:in quello di destra, in cui tutte e quattro le ruote girano nella stessa direzione, e in quello sbagliato, in cui le ruote dell'asse posteriore girano in avanti ma quelle anteriori girano all'indietro – all'eccitazione l'auto rimane ferma. Ernst und Parschau hanno potuto osservare questo, pure, con l'STM.
Perciò, i ricercatori hanno raggiunto il loro primo obiettivo, una “prova di concetto”, cioè sono stati in grado di dimostrare che le singole molecole possono assorbire energia elettrica esterna e trasformarla in movimento mirato. Il prossimo passo previsto da Ernst e dai suoi colleghi è sviluppare molecole che possono essere guidate dalla luce, forse sotto forma di laser UV.
