Quando le molecole “si accorgono” di ciò che stanno facendo le molecole vicine
Un nuovo metodo spettroscopico rivela l'ambiente dei complessi di ferro commutabili
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I ricercatori dell’Università Friedrich Schiller di Jena e del Centro Helmholtz di Berlino (HZB) sono riusciti, per la prima volta, a osservare direttamente come l’ambiente circostante un interruttore molecolare ne influenzi la struttura elettronica. Gli interruttori molecolari sono molecole che possono passare da uno stato all’altro sotto l’influenza di fattori esterni, come le variazioni di temperatura, analogamente a un interruttore con le posizioni «On» e «Off». Tali molecole sono oggetto di studio in quanto potenziali elementi costitutivi di futuri dispositivi di archiviazione dati o materiali per sensori. Utilizzando la spettroscopia terahertz dipendente dal campo magnetico, i ricercatori sono ora riusciti, per la prima volta, a distinguere se le molecole vicine in un materiale si trovano nello stesso stato o in stati diversi. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Angewandte Chemie International Edition».
Quando le molecole «notano» cosa stanno facendo le loro vicine
Nei composti di ferro studiati, le molecole possono passare da uno stato elettronico all’altro. In questo processo, gli elettroni attorno allo ione di ferro si dispongono in modo diverso: nel cosiddetto stato ad alto spin, sono presenti elettroni spaiati, il che rende la molecola magnetica. Nello stato a basso spin, al contrario, gli elettroni sono accoppiati; questo stato è non magnetico.
«Se vogliamo utilizzare in modo mirato gli interruttori molecolari, dobbiamo sapere quante molecole devono “comunicare” tra loro per produrre un determinato comportamento di commutazione», afferma la prof.ssa Birgit Weber dell’Istituto di Chimica Inorganica e Analitica dell’Università di Jena. «Con il nuovo metodo possiamo, per così dire, vedere cosa stanno facendo le molecole vicine.»
Finora era possibile determinare quale percentuale delle molecole si trovasse in quale stato. Era invece più difficile scoprire come questi stati fossero distribuiti all’interno del materiale: le molecole commutano in modo sostanzialmente indipendente l’una dall’altra, oppure gruppi più grandi cambiano stato insieme? È proprio questa informazione che è importante per comprendere le proprietà del materiale nel suo complesso.
Un’impronta dell’ambiente molecolare
Per il loro studio, i ricercatori hanno esaminato due composti di ferro (II) i cui stati di transizione possono essere influenzati dalla velocità di raffreddamento. Durante un raffreddamento rapido, uno stato presente a temperature più elevate può essere «congelato». Il raffreddamento lento, invece, dà origine a stati diversi o misti. Ciò ha permesso ai ricercatori di confrontare il comportamento di una molecola al variare del suo ambiente.
La spettroscopia THz-EPR rivela variazioni molto piccole nella struttura elettronica. «La struttura elettronica porta, per così dire, un “impronta digitale” del proprio ambiente», afferma il Prof. Dr. Winfried Plass dell’Istituto di Chimica Inorganica e Analitica dell’Università di Jena. «Quando le molecole vicine cambiano stato, anche questa “impronta digitale” cambia — ed è proprio questo che possiamo misurare.»
Nel caso di uno dei composti, era già noto da studi precedenti che a basse temperature gli stati magnetici e non magnetici si alternano regolarmente. I cambiamenti ora misurati erano coerenti con questo schema noto e sono stati confermati da calcoli di chimica quantistica.
Quante molecole sono necessarie per uno stato stabile?
Questo metodo può ora essere utilizzato per indagare se le molecole cambino stato individualmente o formino aree più estese, note come domini, in cui molte molecole modificano il proprio stato contemporaneamente. Ciò è rilevante anche per potenziali applicazioni: se si intendono utilizzare due stati stabili, «0» e «1», l’unità di memoria più piccola possibile dipende dal numero di molecole che devono interagire per ottenere tale risultato.
«Se per questo devono sempre commutarsi insieme centinaia o migliaia di molecole, ciò pone un limite alle dimensioni minime che tali sistemi possono raggiungere», afferma Weber. «Se, d’altra parte, anche pochissime o addirittura singole molecole possono essere commutate in modo indipendente in uno stato stabile, sarebbero ipotizzabili densità di memorizzazione significativamente più elevate.»
Conferma indipendente presso BESSY II
Secondo i ricercatori, questa è la prima applicazione della spettroscopia EPR magnetica THz a tali composti di ferro commutabili. Le strutture di misurazione presso BESSY II, presso il Centro Helmholtz di Berlino, hanno svolto un ruolo centrale. Lì, le misurazioni nei terahertz possono essere combinate con forti campi magnetici e temperature molto basse. Gli spostamenti energetici determinanti coinvolti sono eccezionalmente piccoli. Il fatto che essi abbiano effettivamente origine dal materiale e non siano un artefatto di misura è stato dimostrato da misurazioni effettuate con radiazione di sincrotrone, che hanno riprodotto in modo indipendente le osservazioni su campioni separati. La loro elevata brillantezza consente inoltre di accedere a sistemi con segnali più deboli e a transizioni a energie ancora più basse.
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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