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Il motore molecolare da un solo nanometro è realtà

Un motore elettrico basato su una singola molecola, con una dimensione di 1 nanometro. È quanto sono riusciti a realizzare i ricercatori della Tufts University, nei pressi di Boston, Massachusetts. Fino a oggi il motore elettrico più piccolo al mondo aveva una dimensione di 200 nanometri.

Questo importante passo in avanti, possibile mediante un microscopio a scansione per effetto tunnel (STM) a bassa temperatura, potrebbe essere solamente il primo verso una nuova classe di prodotti che potrebbero essere usati in svariati settori, dalla medicina all’ingegneria.

Chales Sykes

“Abbiamo dimostrato che è possibile fornire elettricità a una singola molecola e far sì che compia qualcosa che non è solamente casuale“, ha dichiarato il professore Charles Sykes, a capo del progetto.
I motori composti da una singola molecola non sono una novità, ma finora erano guidati da soluzioni chimiche o tramite la luce. Un motore molecolare alimentato da elettricità ha vantaggi rilevanti rispetto alle altre tecnologie.

Per alimentare motori molecolari con sostanze chimiche, gli scienziati devono aggiungerle in un bicchiere colmo di trilioni (10 alla diciottesima) di molecole. “Le cose che potete farci sono limitate”, ha affermato Sykes. Allo stesso modo è difficile anche usare la luce, perché persino una luce altamente focalizzata colpirà più molecole alla volta.
Con il microscopio a scansione per effetto tunnel, “possiamo arrivare sopra una molecola, misurarla e attivarne la rotazione. È il modo migliore per farlo”, ha affermato Sykes.

In arancione la superficie in rame sulla quale è adagiato il motore molecolare. La pallina gialla è la base di zolfo e i due bracci sono composti di atomi di carbonio e idrogeno. La fonte elettrica sopra il dispositivo è la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel, che usa l’elettricità per dirigere la rotazione della molecola nella direzione voluta.

I ricercatori hanno usato la punta metallica del microscopio per fornire una carica elettrica a una molecola di “metil-butil-solfuro” posta sopra una superficie in rame. La molecola aveva un atomo di zolfo al centro e di carbonio che s’irradiavano all’esterno formando due bracci – quattro atomi di carbonio da una parte e uno dall’altra. Secondo i ricercatori queste braccia possono agire come ingranaggi, e quando una molecola è alimentata, potrebbero girare o far ruotare le altre in sequenza.

Siamo ancora distanti da applicazioni pratiche, ma secondo i ricercatori questi motori molecolari potrebbero essere usati nei dispositivi medici dotati di piccoli tubi usati test e rilevazioni. “Con questa dimensione così ridotta, la frizione del fluido contro i muri dei tubi sale e ricoprire i muri con motori potrebbe aiutare a guidare i fluidi”, ha dichiarato. I motori elettrici potrebbero essere usati anche nei sistemi elettromeccanici in scala nanometrica (NEMS). Per esempio accoppiando il movimento molecolare con segnali elettrici gli scienziati potrebbero realizzare linee di ritardo del segnale e sensori in nanoscala.

All’interno del microscopio STM

Il cammino da qui in avanti prevede maggiori test per scoprire la temperatura alla quale possono operano i motori molecolari. Per l’esperimento al Tuft la temperatura attorno al motore molecolare è stata ridotta a -268 gradi Celsius.
Questo è necessario perché mentre le temperature salgono, il motore gira molto rapidamente, ben oltre ciò che gli scienziati sono in grado di misurare. A -173 gradi Celsius un motore molecolare gira oltre un milione di volte al secondo.

Applicando una minore temperatura, come quella scelta dai ricercatori, il motore ha compiuto circa 50 rotazioni al secondo, un dato rilevabile. Per dimostrare che il motore era guidato dall’elettricità e che i movimenti non erano casuali, i ricercatori hanno dovuto tenere traccia di tutte le rotazioni. “Per ogni singolo punto di dati sulla carta, abbiamo contato all’incirca 5.000 rotazioni. Si raccolgono i dati per cinque minuti, ma ci vuole una settimana per analizzarli“.

Il motore molecolare sarà sarà applicato anche nella strumentazione medica

Ogni insieme di rotazioni è stato contato da due differenti persone, in modo che la rilevazione fosse più accurata possibile. Arrivati a questo punto i ricercatori sanno che non possono sedersi sugli allori. “Vogliamo imparare come lavorano questi motori molecolari”. 

Per questo proveranno a usare differenti molecole, fonti di energia e modi per fissare le molecole alle superfici. L’obiettivo è “capire le interazioni e migliorare il movimento”. Inoltre Sykes e i propri colleghi studieranno come può essere trasferita l’energia ad altre molecole e realizzare insiemi di piccoli ingranaggi su una superficie.