Cablati dalla natura: molecole di precisione per l'elettronica di domani
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I ricercatori dell'Empa sono riusciti per la prima volta a legare con precisione atomica molecole organiche di porfirina con centri metallici funzionali a un nanoribbon di grafene. Il sistema ibrido risultante è accoppiato magneticamente ed elettronicamente, aprendo la strada a una vasta gamma di applicazioni nell'elettronica molecolare, dal rilevamento chimico alle tecnologie quantistiche.
Un nanoribbon di grafene collega le molecole di porfirina - ciascuna dotata di un centro metallico (rosso) - come un filo molecolare di luci di Natale. Gli atomi di metallo sono tenuti in posizione da quattro atomi di azoto (blu) all'interno del nucleo di porfirina.
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Massima precisione: Con il loro metodo, i ricercatori dell'Empa possono sintetizzare la struttura molecolare con precisione atomica, come confermato dalle immagini al microscopio (in alto: microscopia a scansione tunneling; in basso: microscopia a forza atomica senza contatto).
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La chimica organica, ovvero la chimica dei composti del carbonio, è alla base di tutta la vita sulla Terra. Tuttavia, anche i metalli svolgono un ruolo chiave in molti processi biochimici. Quando si tratta di "sposare" atomi di metalli pesanti e grandi con composti organici leggeri, la natura si affida spesso a un gruppo specifico di strutture chimiche: le porfirine. Queste molecole formano un anello organico al cui centro possono essere "ancorati" singoli ioni metallici come ferro, cobalto o magnesio.
La struttura porfirica è alla base dell'emoglobina nel sangue umano, della clorofilla fotosintetica nelle piante e di numerosi enzimi. A seconda del metallo catturato dalla porfirina, i composti risultanti possono mostrare un'ampia gamma di proprietà chimiche e fisiche. Chimici e scienziati dei materiali cercano da tempo di sfruttare questa flessibilità e funzionalità delle porfirine, anche per applicazioni nell'elettronica molecolare.
Tuttavia, per funzionare, i componenti elettronici, anche quelli molecolari, devono essere collegati tra loro. Collegare le singole molecole non è un compito facile. Ma è proprio questo il risultato ottenuto dai ricercatori del laboratorio nanotech@surfaces dell'Empa, in collaborazione con i chimici sintetici del Max Planck Institute for Polymer Research. Sono riusciti ad attaccare le porfirine a un nanoribbon di grafene in modo perfettamente preciso e definito. Lo studio corrispondente è stato appena pubblicato sulla rivista Nature Chemistry.
Una "spina dorsale" di carbonio
I nanoribbon di grafene sono strisce lunghe e strette del materiale bidimensionale di carbonio grafene. A seconda della loro larghezza e della forma dei loro bordi, presentano un'ampia gamma di proprietà fisiche, tra cui diverse conduttività, magnetismo e comportamento quantistico. I ricercatori dell'Empa hanno utilizzato come filo molecolare un nastro largo appena un nanometro con i cosiddetti bordi a zig-zag. Lungo questi bordi, le molecole di porfirina sono agganciate a intervalli perfettamente regolari, alternando i lati destro e sinistro del nastro.
"Il nostro nastro di grafene presenta un tipo speciale di magnetismo grazie al suo bordo a zigzag", spiega Feifei Xiang, autore principale dello studio. Gli atomi di metallo nelle molecole di porfirina, invece, sono magnetici in modo più "convenzionale". La differenza sta negli elettroni che forniscono lo spin responsabile del magnetismo. Mentre gli elettroni portatori di spin nel centro del metallo rimangono localizzati sull'atomo metallico, gli elettroni corrispondenti nel nastro di grafene si "spargono" lungo entrambi i bordi. "Grazie all'accoppiamento delle porfirine con la spina dorsale del grafene, siamo riusciti a combinare e collegare entrambi i tipi di magnetismo in un unico sistema", spiega il coautore Oliver Gröning, vice capo del laboratorio nanotech@surfaces.
Questo accoppiamento apre molte porte nel campo dell'elettronica molecolare. Il nastro di grafene funge sia da conduttore elettrico che magnetico - una sorta di "cavo" su scala nanometrica tra le molecole di porfirina. Il magnetismo correlato di questi nanoribbons di grafene è considerato particolarmente promettente per le applicazioni della tecnologia quantistica, dove lo spin alla base del magnetismo funge da vettore di informazioni. "Il nostro nastro di grafene con le porfirine potrebbe funzionare come una serie di qubit interconnessi", afferma Roman Fasel, responsabile del laboratorio "nanotech@surfaces".
Sentire, emettere, condurre
Ma non è tutto: Le porfirine sono anche pigmenti naturali, come quelli presenti in molecole come la clorofilla e l'emoglobina. Per gli scienziati dei materiali, questo significa che "i centri delle porfirine sono otticamente attivi", dice Gröning. L'ottica è un modo importante per interagire con le proprietà elettroniche e magnetiche di queste catene molecolari. Le porfirine possono emettere luce la cui lunghezza d'onda cambia con lo stato magnetico dell'intero sistema molecolare - una sorta di stringa di luci molecolari, in cui le informazioni potrebbero essere lette da sottili variazioni di colore.
È possibile anche il processo inverso: Le porfirine potrebbero essere eccitate dalla luce, influenzando così la conduttività e il magnetismo della spina dorsale del grafene. Queste molecole tuttofare potrebbero anche servire come sensori chimici. Le molecole di porfirina possono essere facilmente funzionalizzate, cioè modificate chimicamente con l'aggiunta di gruppi chimici specifici. Se uno di questi gruppi aggiunti si lega a una sostanza chimica target, questa interazione influisce anche sulla conduttività del nastro di grafene.
"Il nostro sistema è una cassetta degli attrezzi che può essere utilizzata per regolare diverse proprietà", spiega Fasel. In seguito, i ricercatori intendono esplorare diversi centri metallici all'interno delle porfirine e studiarne gli effetti. Inoltre, intendono ampliare la spina dorsale del nastro di grafene, dando al loro sistema molecolare una base elettronica ancora più versatile. La sintesi di queste "luci a corda" è tutt'altro che banale. "I nostri partner del Max Planck Institute sono riusciti a produrre molecole precursori costituite da un nucleo di porfirina completato da alcuni anelli di carbonio collocati esattamente nelle posizioni giuste", spiega Gröning. Queste molecole complesse vengono poi "cotte" a diverse centinaia di gradi Celsius sotto vuoto spinto per formare le lunghe catene. Una superficie d'oro funge da "teglia". Questo è l'unico modo per ottenere queste strutture nanometriche con una precisione atomica. Con il sostegno della Fondazione Werner Siemens, il team dell'Empa sta ora lavorando per rendere questi nuovi materiali di design utilizzabili per le future tecnologie quantistiche.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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