I treni di ingranaggi sono stati utilizzati per secoli per tradurre i cambiamenti nella velocità di rotazione degli ingranaggi in cambiamenti nella forza di rotazione. Macchine, trapani, e praticamente tutto ciò che ha parti rotanti le usa. Gli ingranaggi su scala molecolare sono un'invenzione molto più recente che potrebbe utilizzare la luce o uno stimolo chimico per avviare la rotazione degli ingranaggi. Ricercatori del Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Giappone, in collaborazione con gruppi di ricerca dell'Università Paul Sabatier, Francia, rapporto in un nuovo studio pubblicato in Scienze chimiche un mezzo per visualizzare istantanee di un treno di ingranaggi ultrapiccoli, una catena di ingranaggi interconnessi, al lavoro.

Il leader del progetto NAIST, il professor Gwénaël Rapenne, ha dedicato la sua carriera alla fabbricazione di dispositivi meccanici su scala molecolare, come ruote e motori. I ricercatori hanno recentemente progettato una ruota dentata per un treno di ingranaggi molecolari, ma attualmente non hanno i mezzi per visualizzare gli ingranaggi in azione.

"Il modo più semplice per monitorare il movimento degli ingranaggi molecolari è attraverso immagini di microscopia a effetto tunnel a scansione statica. Per questi scopi, uno dei denti delle ruote dentate deve essere stericamente o elettrochimicamente distinto dagli altri denti, " spiega Rapenne.

I ricercatori hanno prima creato una ruota dentata molecolare composta da cinque pale, dove una paletta è di pochi atomi di carbonio più lunga delle altre quattro pale. Però, come hanno dimostrato l'anno scorso, le differenze nella lunghezza della pagaia interrompono il movimento coordinato lungo il treno di ingranaggi. Così, le differenze nell'elettrochimica a paletta sono un approccio progettuale più promettente ma sinteticamente più impegnativo.

"Abbiamo utilizzato studi computazionali per prevedere se le unità di prelievo di elettroni o la chimica dei metalli potessero adattare le proprietà elettroniche di una paletta, senza cambiare la dimensione della pagaia, " dice Rapenne. Tali proprietà su misura sono importanti perché si possono osservare come differenze di contrasto utilizzando la microscopia a effetto tunnel, e quindi facilitare l'imaging statico.

"I nostri prototipi di ruota dentata pentaporfirinica contenevano una paletta con un sostituente cianofenile o un centro di zinco, anziché di nichel, in metallo, " spiega Rapenne. "Varie tecniche di spettroscopia hanno confermato le architetture delle nostre sintesi".

Come possono i ricercatori utilizzare queste ruote dentate? Immagina di far brillare un raggio di luce altamente focalizzato, o applicando uno stimolo chimico, a uno degli ingranaggi per avviare una rotazione. Facendo così, si potrebbe ruotare una serie di ruote dentate in modo coordinato come in un treno di ingranaggi convenzionale, ma su una scala molecolare che consiste nell'ultima miniaturizzazione dei dispositivi. "Ora abbiamo i mezzi per visualizzare tali rotazioni, " nota Rapenne.

Utilizzando questo sviluppo per effettuare studi di meccanica di singole molecole, Rapenne è ottimista sul fatto che l'ampia comunità di ricerca avrà un nuovo potente design per macchine integrate su nanoscala. "Non ci siamo ancora, ma stanno lavorando in modo collaborativo per realizzarlo il prima possibile, " lui dice.