I macchinari su nanoscala hanno molti usi, tra cui la somministrazione di farmaci, la tecnologia a transistor a atomo singolo o l'archiviazione di memoria. Tuttavia, il macchinario deve essere assemblato su scala nanometrica, il che rappresenta una sfida considerevole per i ricercatori.

Per gli ingegneri della nanotecnologia l'obiettivo finale è essere in grado di assemblare macchinari funzionali pezzo per pezzo su scala nanometrica. Nel mondo macroscopico, possiamo semplicemente afferrare gli oggetti per assemblarli. Non è più impossibile "afferrare" singole molecole, ma la loro natura quantistica rende imprevedibile la loro risposta alla manipolazione, limitando la capacità di assemblare le molecole una per una. Questa prospettiva è ora un passo più vicino alla realtà, grazie a uno sforzo internazionale guidato dal Centro di ricerca Jülich della società Helmholtz in Germania, che include ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Università di Warwick.

Nell'articolo "Il potenziale di stabilizzazione di una molecola in piedi", pubblicato oggi, 10 novembre 2021 sulla rivista Science Advances , un team internazionale di ricercatori è stato in grado di rivelare il meccanismo di stabilizzazione generico di una singola molecola in piedi, che può essere utilizzata nella progettazione razionale e nella costruzione di dispositivi molecolari tridimensionali sulle superfici.

Il microscopio a scansione di sonda (SPM) ha avvicinato alla realtà la visione della fabbricazione su scala molecolare, perché offre la capacità di riorganizzare atomi e molecole sulle superfici, consentendo così la creazione di strutture metastabili che non si formano spontaneamente. Usando l'SPM, il Dr. Christian Wagner e il suo team sono stati in grado di interagire con una singola molecola in piedi, la dianidride perilene-tetracarbossilica (PTCDA) su una superficie per studiare la stabilità termica e la temperatura alla quale la molecola cesserebbe di essere stabile e ricadrebbe indietro nel suo stato naturale dove si adsorbe piatto sulla superficie. Questa temperatura è di -259,15 Celsius, solo 14 gradi sopra il punto di temperatura zero assoluto.

I calcoli della chimica quantistica eseguiti in collaborazione con il Dr. Reinhard Maurer del Dipartimento di Chimica dell'Università di Warwick sono stati in grado di rivelare che la sottile stabilità della molecola deriva dalla competizione di due forti forze quantistiche contrastanti, vale a dire l'attrazione a lungo raggio da la superficie e la forza di ripristino a corto raggio derivante dal punto di ancoraggio tra la molecola e la superficie.

Il Dr. Reinhard Maurer del Dipartimento di Chimica dell'Università di Warwick commenta:"L'equilibrio delle interazioni che impedisce alla molecola di cadere è molto sottile e rappresenta una vera sfida per i nostri metodi di simulazione chimica quantistica. Oltre a insegnarci i fondamenti meccanismi che stabilizzano tali nanostrutture insolite, il progetto ci ha anche aiutato a valutare e migliorare le capacità dei nostri metodi."

Il Dr. Christian Wagner del Peter Grünberg Institute for Quantum Nanoscience (PGI-3) presso il Research Center Jülich commenta:"Per fare un uso tecnologico delle affascinanti proprietà quantistiche delle singole molecole, dobbiamo trovare il giusto equilibrio:devono essere immobilizzate su una superficie, ma senza fissarle troppo saldamente, altrimenti perderebbero queste proprietà. Le molecole in piedi sono l'ideale in questo senso. Per misurare quanto sono effettivamente stabili, abbiamo dovuto rialzarle più e più volte con un ago di metallo affilato e il tempo per quanto tempo sono sopravvissuti a temperature diverse."

Ora che le interazioni che danno origine a una molecola stabile sono note, la ricerca futura può lavorare per progettare molecole migliori e collegamenti molecola-superficie per mettere a punto tali interazioni quantistiche. Ciò può aiutare ad aumentare la stabilità e la temperatura alla quale le molecole possono essere trasformate in array in piedi verso condizioni lavorabili. Ciò solleva la prospettiva della nanofabbricazione di macchinari su scala nanometrica. + Esplora ulteriormente

Visualizzazione degli stati quantistici del progettista in recinti quantici a macrociclo stabili