Gli scienziati hanno scoperto che uno spazio all'interno di un tipo speciale di molecola di carbonio può essere utilizzato per imprigionare altre molecole più piccole come l'idrogeno o l'acqua.

La cavità di dimensioni nanometriche della cavità sferica C60 Buckminsterfullerene - o bucky ball - crea efficacemente un "nanolaboratorio", consentendo uno studio dettagliato dei principi della meccanica quantistica che determinano il movimento della molecola ingabbiata, compreso il misterioso comportamento ondulatorio che è una proprietà fondamentale di tutta la materia.

Esperimenti dalla collaborazione internazionale di ricercatori, compresi i fisici dell'Università di Nottingham, hanno rivelato il comportamento ondulatorio e mostrano come le molecole di H2 e H2O imprigionate "scuotono" nella loro gabbia.

Professor Tony Horsewill, della Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di Nottingham, ha dichiarato:"Per me gran parte della motivazione per condurre questa indagine è venuta dal puro piacere di studiare una molecola così unica e bella e di scoprire le affascinanti intuizioni che ha fornito sui fondamenti della dinamica molecolare quantistica. Intellettualmente, è stato estremamente piacevole.

"Però, come in ogni iniziativa di ricerca del cielo azzurro c'è sempre la promessa di nuove, spesso imprevisto, applicazioni. Infatti, nel caso delle molecole d'acqua all'interno delle bucky ball abbiamo una molecola ospite che possiede un momento di dipolo elettrico e la collaborazione sta già studiando il suo utilizzo nell'elettronica molecolare, anche come componente innovativo di un transistor molecolare."

La ricerca, che ha coinvolto scienziati statunitensi, Giappone, Francia, Estonia e le università di Nottingham e Southampton nel Regno Unito, è stato recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

La scoperta della C60 Buckminsterfullerene, e la relativa classe di molecole i fullereni, a metà degli anni '80 ha guadagnato i professori Harry Kroto, Robert Curl e il compianto Richard Smalley il Premio Nobel per la Chimica nel 1996.

Ha una struttura sferica a gabbia composta da 20 esagoni e 12 pentagoni e ricorda un pallone da calcio, guadagnandosi il soprannome di "bucky ball".

In una recente svolta nella chimica di sintesi, gli scienziati giapponesi di Kyoto hanno inventato una tecnica di chirurgia molecolare che consente loro di sigillare con successo in modo permanente piccole molecole come H2 e H2O all'interno di C60.

Hanno usato una serie di procedure chirurgiche sintetiche per aprire la "gabbia" del C60 producendo un'apertura abbastanza grande da "spingere" una molecola di H2 o H2O all'interno ad alta temperatura e pressione. Il sistema è stato quindi raffreddato per stabilizzare la molecola intrappolata all'interno e la gabbia è stata riparata chirurgicamente per riprodurre un C60.

Il professor Horsewill ha aggiunto:"Questa tecnica riesce a combinare forse la molecola C60 più bella dell'universo con la sua più semplice".

Il gruppo di ricerca di Nottingham ha impiegato una tecnica chiamata diffusione anelastica di neutroni (INS) in cui un fascio di neutroni, particelle fondamentali che compongono il nucleo atomico, viene utilizzato per studiare il movimento "a scuotimento della gabbia" delle molecole ospiti all'interno del C60.

Le loro indagini hanno fornito una panoramica della natura ondulatoria delle molecole H20 e H2 e del loro movimento orbitale e rotatorio mentre si muovono all'interno del C60.

Professor Malcom Levitt, della School of Chemistry dell'Università di Southampton, che ha utilizzato la tecnica della risonanza magnetica nucleare (NMR) per studiare le proprietà quantistiche delle molecole ingabbiate, ha dichiarato:"Confinando piccole molecole come l'acqua in gabbie di fullerene forniamo l'ambiente controllato di un laboratorio ma sulla scala di circa un nanometro.

"A queste condizioni, le molecole confinate rivelano una natura ondulatoria e si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica. Al di là del loro interesse intrinseco, ci aspettiamo che le proprietà speciali di questi materiali portino a una varietà di applicazioni, come nuovi modi per illuminare le immagini delle scansioni MRI, e nuovi tipi di memoria del computer."

L'opera pubblicata su PNAS la carta ha anche identificato separatamente due forme sottilmente diverse di H2O:orto-acqua e para-acqua. Questi cosiddetti isomeri di spin nucleari devono anche le loro identità separate ai principi della meccanica quantistica.