La vite di Archimede realizzata con una singola molecola
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Un team internazionale di fisici ha sviluppato, per la prima volta, una “macchina” molecolare basata sul principio della vite di Archimede. La molecola elicoidale viene messa in rotazione da una corrente elettrica. Quando la rotazione raggiunge una certa velocità, la corrente aumenta bruscamente fino a centuplicarsi. Il gruppo di ricerca del Prof. Dr. Fabian Pauly dell’Università di Augusta ha utilizzato simulazioni al computer basate sulla meccanica quantistica per spiegare gli effetti osservati. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
Le macchine molecolari sono considerate il prossimo passo nella miniaturizzazione. I loro modelli si trovano nelle cellule viventi, dove i motori molecolari convertono l’energia e generano movimento. Gli scienziati lavorano da decenni per replicare artificialmente tali sistemi. Il Premio Nobel per la Chimica del 2016 è stato assegnato proprio per questa ricerca.
Un modello che risale all’antichità
I motori molecolari alimentati direttamente da corrente elettrica esistono già dal 2011. Finora, tuttavia, hanno funzionato solo come molecole su una superficie, azionate dalla punta di un microscopio a effetto tunnel.
Per la loro nuova macchina, i ricercatori hanno tratto ispirazione da una delle più antiche macchine documentate dall’umanità: la vite di Archimede, che trasporta l’acqua in salita. I ricercatori hanno applicato il principio della vite di Archimede a livello molecolare. Al posto dell’acqua, gli elettroni scorrono attraverso una struttura elicoidale, mettendola in rotazione.
Una vite molecolare tra due punte d’oro
Il cuore della macchina è costituito da una molecola elicoidale, prodotta appositamente per lo studio dal team del Prof. Michael Pittelkow presso l’Università di Copenaghen. La molecola, che misura appena pochi milionesimi di millimetro, può essere legata a superfici d’oro tramite atomi di zolfo. Presso l’Istituto Weizmann di Scienze in Israele, il team guidato dal Prof. Oren Tal e dal Dott. Anil Kumar Singh ha teso singole molecole tra due punte d’oro di dimensioni atomiche. Regolando con precisione la distanza tra gli elettrodi, i ricercatori sono riusciti ad allungare o comprimere la vite molecolare.
Il primo motore molecolare con direzione di rotazione controllabile
Le misurazioni hanno poi dimostrato che la molecola ruota quando viene applicata una tensione. La direzione di rotazione era univoca e poteva essere invertita modificando la polarità della tensione. Lo studio dimostra così, per la prima volta, l’esistenza di un motore molecolare azionato da corrente con una direzione di rotazione controllabile, saldamente fissato a due elettrodi metallici.
Il movimento è guidato dagli stessi elettroni. Mentre fluiscono attraverso la molecola elicoidale, le trasferiscono momento angolare, proprio come il vento aziona una turbina eolica. La direzione è determinata dalla spirale della molecola, proprio come nel caso di una vite con filettatura a destra o a sinistra. Al di sopra di una certa tensione, questo movimento si trasforma in rotazione continua.
I calcoli di Augusta svelano il meccanismo
Ma perché una molecola in rotazione conduce l’elettricità in modo significativamente migliore rispetto a una molecola ferma? Il Prof. Dr. Fabian Pauly e i suoi dottorandi Léon Martin e Yuta Ito della Cattedra di Fisica Teorica I dell’Università di Augusta hanno indagato su questa questione utilizzando simulazioni di meccanica quantistica sul supercomputer LiCCA. I loro calcoli hanno dimostrato che la rotazione della molecola è strettamente legata alla sua conduttività. La conduttività dipende in larga misura dall’angolo di rotazione della molecola e può aumentare fino a due ordini di grandezza durante la rotazione.
«La cosa sorprendente è che proprio le posizioni che la molecola evita quando è a riposo sono quelle che conducono meglio l’elettricità. È solo la rotazione a rendere accessibili queste posizioni», spiega Léon Martin.
Collaborazione internazionale per il successo della ricerca
Partendo da questi risultati, i partner teorici Per Hedegård dell’Istituto Niels Bohr di Copenaghen e Jing-Tao Lü dell’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong a Wuhan hanno sviluppato un modello semplificato che ha riprodotto con successo la rotazione osservata sperimentalmente e l’aumento di corrente.
«Nell’esperimento si osserva solo la corrente. I nostri calcoli ci permettono di intravedere cosa sta accadendo all’interno del nanocontatto. È stato solo grazie alla stretta collaborazione tra sperimentazione e teoria, che ha coinvolto diversi paesi, che è stato possibile risolvere il mistero dell’aumento di corrente», afferma Yuta Ito, dottorando originario del Giappone.
Implicazioni per le applicazioni future
La scoperta offre potenzialità per i componenti elettronici molecolari, le applicazioni nella spintronica e nei sistemi microfluidici. Inoltre, tali macchine in miniatura offrono nuove opportunità per la ricerca sui processi fisici su scala atomica. «Abbiamo dimostrato che una corrente elettrica può essere utilizzata per generare una rotazione diretta e che questa rotazione, a sua volta, controlla la corrente. Si tratta di un nuovo principio di funzionamento per macchine ai limiti estremi della miniaturizzazione», spiega Pauly.
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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