Materiali ad alte prestazioni per lo stoccaggio del gas, gli isolanti termici o le nanomacchine necessitano di una conoscenza approfondita del comportamento del materiale fino al livello molecolare. Termodinamica, che sono stati sviluppati duecento anni fa per aumentare l'efficienza dei motori a vapore, tipicamente osserva e fa la media su un gran numero di molecole. Ora un team di scienziati ha sviluppato una metodologia, studiare la termodinamica di equilibrio di singole molecole.

Alla ricerca di materiali ad alte prestazioni per applicazioni come lo stoccaggio di gas, isolanti termici o nanosistemi dinamici è fondamentale per comprendere il comportamento termico della materia fino al livello molecolare. La termodinamica classica fa una media nel tempo e su un gran numero di molecole. All'interno di uno spazio tridimensionale singole molecole possono adottare un numero quasi infinito di stati, rendendo quasi impossibile la valutazione delle singole specie.

Ora i ricercatori della Technische Universität München (TUM) e della Linköping University (LIU) hanno sviluppato una metodologia, che permette di esplorare la termodinamica di equilibrio di singole molecole con risoluzione atomica a temperature apprezzabili. Lo studio innovativo si basa su due pilastri:una tecnologia che consente di ingabbiare le molecole all'interno di nanopori bidimensionali e un'ampia modellazione computazionale.

Intrappolato in due dimensioni

Alla Cattedra di Nanoscienze Molecolari e Fisica Chimica delle Interfacce alla TU München, guidato dal Prof. Dr. Johannes V. Barth, PD Dr. Florian Klappenberger ha sviluppato il metodo per produrre reti metallo-organiche di alta qualità su una superficie argentata. La rete forma nanopori che limitano la libertà di movimento delle singole molecole adsorbite in due dimensioni. Utilizzando la microscopia a scansione a effetto tunnel, i ricercatori sono stati in grado di tracciare i loro movimenti a diverse temperature con una risoluzione sub-nanometrica.

Parallelamente agli esperimenti, i ricercatori hanno lavorato con modelli informatici sofisticati per descrivere la dipendenza dalla temperatura della dinamica di queste singole molecole intrappolate. "Abbiamo applicato calcoli di supercomputer all'avanguardia per comprendere le interazioni e il panorama energetico che determinano il movimento delle molecole", afferma Jonas Björk dell'Università di Linköping.

Confrontando i dati sperimentali e quelli modellati, gli scienziati hanno scoperto che in determinate condizioni la teoria integrale si avvicina a una semplice proiezione delle posizioni molecolari nello spazio. Questo approccio è fondamentale per la meccanica statistica, ma non è mai stato sfidato a riprodurre un esperimento, a causa delle posizioni molecolari e delle energie praticamente infinite che bisogna considerare senza il confinamento su scala nanometrica.

Analogia con la biologia

"È stato estremamente emozionante impiegare reti bidimensionali come strategia di confinamento per ridurre lo spazio conformazionale disponibile di una singola molecola, come fa un accompagnatore con una proteina", dice il dottor Carlos-Andres Palma, l'autore principale dello studio. "In analogia con la biologia, tale forma di tecnologia di confinamento ha il potenziale per stabilire sensori, nanomacchine e possibilmente logiche controllate e fatte di distribuzioni molecolari."

Applicando la loro conoscenza delle configurazioni di equilibrio caratteristiche, i ricercatori hanno modulato attentamente il nanoporo, facendo così scrivere ad una singola molecola lettere dell'alfabeto come L, io e te, semplicemente regolando la temperatura.