(Phys.org) — Gli scienziati della Rice University hanno scoperto di poter controllare i legami tra gli atomi in una molecola.

La molecola in questione è il carbonio-60, noto anche come buckminsterfullerene e buckyball, scoperto alla Rice nel 1985. Gli scienziati guidati dai fisici della Rice Yajing Li e Douglas Natelson hanno scoperto che è possibile ammorbidire i legami tra gli atomi applicando una tensione e facendo passare una corrente elettrica attraverso un singolo buckyball.

I ricercatori hanno dettagliato la loro scoperta questa settimana in linea Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Questo non significa che saremo in grado di regolare arbitrariamente la forza dei materiali o qualcosa del genere, " Ha detto Natelson. "Questo è un caso molto specifico, e anche qui è stata una sorpresa vedere tutto questo succedere.

"Ma in generale, se possiamo manipolare la distribuzione di carica sulle molecole, possiamo influenzare le loro vibrazioni. Possiamo iniziare a pensare, nel futuro, di controllare le cose in un modo migliore."

L'effetto appare quando un buckyball si attacca a una superficie d'oro nella nano antenna ottica utilizzata per misurare gli effetti di una corrente elettrica sui legami intermolecolari attraverso una tecnica chiamata spettroscopia Raman.

Il gruppo di Natelson ha costruito la nano antenna alcuni anni fa per intrappolare un piccolo numero di molecole in uno spazio su scala nanometrica tra elettrodi d'oro. Una volta che le molecole sono a posto, i ricercatori possono raffreddarli, riscaldarli, farli esplodere con energia da un laser o corrente elettrica e misurare l'effetto attraverso la spettroscopia, che raccoglie informazioni dalle frequenze di luce emesse dall'oggetto di interesse.

Con continuo affinamento, i ricercatori hanno scoperto di poter analizzare le vibrazioni molecolari ei legami tra gli atomi nella molecola. Questa capacità ha portato a questo esperimento, Natelson ha detto.

Natelson ha confrontato le frequenze vibrazionali caratteristiche esibite dai legami al modo in cui una corda di chitarra vibra a una frequenza specifica in base a quanto strettamente è avvolta. Allenta la corda e la vibrazione diminuisce e il tono diminuisce.

La nano antenna è in grado di rilevare il "tono" delle vibrazioni depotenziate tra gli atomi attraverso la spettroscopia Raman potenziata in superficie (SERS), una tecnica che migliora le letture delle molecole quando sono attaccate a una superficie metallica. Isolare un buckyball nello spazio tra gli elettrodi d'oro consente ai ricercatori di monitorare le vibrazioni attraverso la risposta ottica vista tramite SERS.

Quando un buckyball si attacca a una superficie dorata, i suoi legami interni subiscono un sottile spostamento mentre gli elettroni alla giunzione si riorganizzano per trovare i loro stati energetici più bassi. L'esperimento di Rice ha rilevato che le vibrazioni in tutti i legami sono diminuite leggermente in frequenza per compensare.

"Pensa a queste molecole come palle e molle, " Natelson ha detto. "Gli atomi sono le palle ei legami che li tengono insieme sono le molle. Se ho una collezione di palline e molle e la schiaffeggio, mostrerebbe alcuni modi vibrazionali.

"Quando spingiamo la corrente attraverso la molecola, vediamo queste vibrazioni accendersi e iniziare a tremare, " Natelson ha detto. "Ma abbiamo trovato, sorprendentemente, che le vibrazioni nei buckyball diventino più morbide, e di una quantità significativa. È come se le molle diventassero più flosce agli alti voltaggi in questo particolare sistema." L'effetto è reversibile; spegni il succo e il buckyball torna alla normalità, Egli ha detto.

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di sperimentazione e sofisticati calcoli teorici per smentire un primo sospetto che il noto effetto vibrazionale Stark fosse responsabile del cambiamento. L'effetto Stark si osserva quando le risposte spettrali delle molecole si spostano sotto l'influenza di un campo elettrico. La Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti del Dipartimento di energia presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, collaborato alla componente di calcolo.

Il gruppo di Natelson aveva notato effetti simili sulle molecole di oligofenilene vinilene usate in esperimenti precedenti, anche spingendo gli esperimenti buckyball. "Alcuni anni fa abbiamo visto accenni di energie vibrazionali che si muovevano, ma niente di così pulito o così sistematico. Sembra che il C-60 sia un po' speciale in termini di posizione energetica, " Egli ha detto.

La scoperta dei buckyball, che valse il Premio Nobel a due professori della Rice, ha dato il via alla rivoluzione delle nanotecnologie. "Sono stati studiati molto bene e sono chimicamente molto stabili, " Natelson ha detto delle molecole a forma di pallone da calcio. "Sappiamo come metterle sulle superfici, cosa puoi fare loro e farli essere ancora intatti. Tutto questo è ben compreso." Ha notato che altri ricercatori stanno esaminando effetti simili attraverso la manipolazione molecolare del grafene, la forma a singolo strato atomico del carbonio.

"Non voglio fare grandi affermazioni sul fatto che abbiamo un metodo generale per mettere a punto il legame molecolare in ogni cosa, " Ha detto Natelson. "Ma se vuoi che la chimica avvenga in un punto, forse vuoi rendere quel legame davvero debole, o almeno renderlo più debole di quanto non fosse.

"C'è un obiettivo a lungo cercato da alcuni nella comunità della chimica per ottenere un controllo preciso su dove e quando i legami si rompono. Vorrebbero guidare in modo specifico determinati legami, assicurati che certi legami si eccitino, assicurati che alcuni si rompano. Stiamo offrendo modi per pensare a farlo".