Un team internazionale di ricercatori del Donostia International Physics Center, Istituto Fritz-Haber della Società Max Planck, Università di Liverpool, e l'Accademia polacca delle scienze ha mostrato un nuovo modo di far funzionare un interruttore a singola molecola applicando una forza esterna.

Il lavoro combinato sperimentale e teorico, pubblicato questa settimana in Chimica della natura , apre una capacità unica per studiare l'attivazione meccanica e l'elaborazione a livello di singola molecola, reazioni elementari che sono coinvolte in molte importanti funzioni biologiche e sono cruciali nei dispositivi molecolari.

La forza necessaria per attivare un interruttore della luce su una parete è minima. Ma quanta forza devi applicare se il dispositivo era su scala nanometrica? |Cioè, quanta forza è necessaria per azionare un "interruttore a molecola singola?" Questa domanda fondamentale è correlata non solo alla scienza di base, ma anche a potenziali applicazioni future dei dispositivi molecolari.

Ricercatori del Centro Internazionale di Fisica di Donostia, San Sebastian (Paesi Baschi, Spagna), Istituto Fritz-Haber della Società Max Planck, Berlino, Germania), Università di Liverpool, (Regno Unito) e Accademia polacca delle scienze, Varsavia (Polonia) sono riusciti ad attivare in modo controllato un "interruttore a singola molecola" con la forza dell'ago atomicamente affilato di un microscopio a scansione di ultima generazione.

Lo studio sperimentale e teorico, riportato oggi sulla prestigiosa rivista Chimica della natura , dimostra che un trasferimento intramolecolare di atomo di idrogeno può essere innescato in una opportuna molecola organica adsorbita su una superficie avvicinando sufficientemente la punta metallica appuntita. La reazione, chiamata tautomerizzazione, è importante nella chimica organica e nella biologia molecolare e anche un fenomeno interessante per i dispositivi elettronici molecolari.

I ricercatori non solo hanno potuto quantificare la forza necessaria per azionare il loro piccolo interruttore, una molecola di porficene su una superficie di rame, ma rivelano anche che la commutazione può essere indotta solo in posizioni molto specifiche della punta sopra la molecola, con una risoluzione spaziale di una frazione della lunghezza del legame chimico, vale a dire circa 0,00000002 millimetri. Per di più, hanno dimostrato il significato della "reattività chimica" dell'apice della punta nel processo indotto dalla forza poiché la molecola non può essere commutata quando l'apice dell'ago è decorato da un singolo atomo di xeno, un elemento inerte che manca della reattività chimica richiesta.

Takashi Kumagai all'FHI-MPG, che ha concepito questo studio, costruito il setup sperimentale in cui un ago oscillante di una forza atomica combinata e un microscopio a scansione a effetto tunnel viene avvicinato a poche distanze atomiche dalla molecola. La commutazione si è presentata come una caratteristica negli spostamenti di frequenza all'avvicinamento della punta ed è stata anche confermata dai cambiamenti nelle immagini su scala atomica mediante la scansione simultanea della punta sulla molecola. È stato misurato che la forza richiesta era di circa un nano-Newton, che è un po' meno della forza necessaria per rompere un tipico legame covalente tra due atomi.

Il team di ricerca ha anche effettuato ampie simulazioni al computer per chiarire il meccanismo atomistico dietro la commutazione indotta dalla forza. Le simulazioni hanno riprodotto con successo i risultati sperimentali e fornito una descrizione atomistica sul funzionamento dell'interruttore a singola molecola. Thomas Frederiksen, Ikerbasque Research Professor presso il Donostia International Physics Center (DIPC) - UPV/EHU spiega che "i nostri calcoli hanno rivelato che la tautomerizzazione, questo è il cambio, avviene per riduzione della sua barriera di attivazione energetica all'avvicinarsi di una punta metallica. Però, il comportamento cambia drasticamente con una punta terminata allo xeno e nessuna tautomerizzazione potrebbe essere indotta a causa della sua inerzia e morbidezza."

I ricercatori sottolineano che la reazione indotta dalla forza studiata che coinvolge cambiamenti nel percorso di reazione assomiglia a un passaggio elementare nei processi catalitici. Perciò, i loro risultati forniscono anche una nuova strategia per ottenere una visione atomistica più profonda delle reazioni catalitiche, portando a un nuovo controllo della chimica a livello atomico.