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Una vite di Archimede grande quanto una singola molecola, capace di girare su comando grazie all’elettricità. È il risultato raggiunto da un gruppo internazionale di ricercatori che ha costruito un nuovo motore molecolare alimentato da corrente elettrica, in grado di invertire il senso di rotazione semplicemente cambiando la polarità della tensione. C’è poi un effetto del tutto inatteso: mentre ruota, questa minuscola macchina conduce l’elettricità fino a 100 volte meglio di quando resta ferma. Un passo che potrebbe pesare parecchio sul futuro dell’elettronica molecolare.
Le macchine molecolari sono considerate da tempo la prossima frontiera della miniaturizzazione. La natura ne offre già esempi dentro le cellule, dove motori biologici sfruttano l’energia per produrre movimento. Da decenni la ricerca prova a replicarli in modo artificiale e i progressi in questo campo sono stati premiati con il Nobel per la Chimica nel 2016. I primi motori molecolari spinti direttamente dall’elettricità risalgono al 2011, ma funzionavano su superfici e avevano bisogno della punta di un microscopio a effetto tunnel per muoversi.
Dalla vite di Archimede al motore molecolare
Il nuovo dispositivo segue un’altra strada e prende in prestito il principio di una delle macchine più antiche mai documentate. La vite di Archimede, inventata oltre 2.000 anni fa, serviva a sollevare l’acqua sfruttando una spirale in rotazione. Su scala molecolare il concetto si ribalta: non è l’acqua a scorrere ma sono gli elettroni ad attraversare una molecola a forma di spirale, che proprio per questo si mette a girare.
Il cuore del sistema è una molecola elicoidale progettata dal gruppo del professor Michael Pittelkow all’Università di Copenaghen. Misura appena qualche milionesimo di millimetro e si aggancia a superfici d’oro tramite atomi di zolfo. Al Weizmann Institute of Science, in Israele, il team guidato dal professor Oren Tal e dal dottor Anil Kumar Singh ha sistemato le singole molecole tra due punte d’oro affilate fino a dimensioni atomiche. Regolando con precisione la distanza tra questi elettrodi era possibile allungare o comprimere la piccola vite.
Una volta applicata la tensione, le misure hanno mostrato che la molecola cominciava a ruotare. E invertendo la polarità il verso di rotazione cambiava. È la prima volta che si dimostra un motore molecolare mosso dalla corrente, saldamente collegato a due elettrodi metallici e capace di girare in una direzione controllabile.
A fornire la spinta sono gli elettroni stessi, che nel loro passaggio cedono momento angolare alla struttura, un po’ come l’aria in movimento fa girare una turbina eolica. La forma della spirale stabilisce come la molecola reagisce al flusso, proprio come accade con le viti filettate a destra o a sinistra. Superata una certa soglia di tensione, il moto diventa una rotazione continua.
Il mistero della conducibilità moltiplicata per 100
Gli esperimenti hanno però rivelato qualcosa di curioso. Quando gira, la molecola trasporta corrente in modo molto più efficiente rispetto a quando è immobile. Per capirne il motivo il professor Fabian Pauly e i dottorandi Léon Martin e Yuta Ito, della cattedra di Fisica Teorica I dell’Università di Augusta, hanno eseguito simulazioni quantistiche sul supercomputer LiCCA.
I calcoli hanno messo in luce un legame stretto tra rotazione e capacità di condurre. La conducibilità elettrica varia moltissimo a seconda dell’angolo assunto dalla molecola e durante la rotazione cresce fino a due ordini di grandezza, cioè 100 volte. La spiegazione è sorprendente. Alcune posizioni che lasciano passare meglio la corrente sono proprio quelle che la molecola evita quando sta ferma, ed è la rotazione a renderle raggiungibili.
“La cosa sorprendente è che sono proprio le posizioni che la molecola evita a riposo a condurre meglio l’elettricità. Solo la rotazione rende accessibili queste posizioni”, spiega Léon Martin. Il movimento, insomma, non si limita a consumare energia elettrica ma incide direttamente su come la corrente scorre.
Per chiudere il cerchio il gruppo ha collaborato con il fisico teorico Per Hedegård del Niels Bohr Institute di Copenaghen e con un collega della Huazhong University of Science and Technology di Wuhan. Partendo dalle simulazioni è nato un modello teorico semplificato che riproduce sia la rotazione osservata sia l’aumento di corrente. “Nell’esperimento si vede solo la corrente. I nostri calcoli permettono di intravedere cosa accade dentro il nanocontatto”, racconta Yuta Ito, dottorando originario del Giappone, sottolineando che solo la stretta collaborazione tra esperimento e teoria in diversi Paesi ha permesso di risolvere l’enigma.
Le ricadute potrebbero toccare i componenti elettronici molecolari, la spintronica, che sfrutta proprietà degli elettroni diverse dalla carica, e anche i sistemi microfluidici che gestiscono quantità minime di liquidi. “Abbiamo dimostrato che una corrente elettrica può generare una rotazione orientata e che questa rotazione, a sua volta, controlla la corrente. È un nuovo principio di funzionamento per macchine ai limiti estremi della miniaturizzazione”, afferma Pauly. Il lavoro svolto ad Augusta è stato finanziato dalla Fondazione Tedesca per la Ricerca attraverso il Centro di Ricerca Collaborativa 1585.
Fonte: TecnoAndroid