Nella chimica molecolare, le forme che le molecole possono assumere nello spazio tridimensionale determinano le loro proprietà fisiche e chimiche in modo fondamentale. Da decenni, i chimici esplorano topologie non convenzionali ispirate a oggetti matematici come il nastro di Möbius, quella superficie con un solo lato e un solo bordo che affascina matematici e scienziati fin dal XIX secolo. Ora, un gruppo di ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con IBM Research, ha sintetizzato e caratterizzato una molecola con una topologia elettronica mai osservata prima, definita "mezzo-Möbius", che supera in complessità geometrica persino le molecole di tipo Möbius già note. Il risultato, ottenuto combinando tecniche avanzate di microscopia atomica con simulazioni su computer quantistico, apre una nuova frontiera nella progettazione molecolare basata sulla topologia.
Per comprendere la singolarità di questa scoperta, è utile richiamare il concetto di nastro di Möbius: se una formica camminasse lungo la superficie di questo anello con una mezza torsione, dovrebbe percorrere il perimetro due volte prima di tornare al punto di partenza. La nuova molecola sintetizzata da Igor Rončević e colleghi dell'Università di Manchester si comporta in modo ancora più sorprendente: un ipotetico "essere quantistico" che viaggiasse lungo gli atomi dell'anello dovrebbe compiere quattro circuiti completi per ritornare alla posizione iniziale, il doppio rispetto a una molecola di tipo Möbius classico.
La molecola è composta da 13 atomi di carbonio e 2 atomi di cloro disposti in una struttura ad anello. La sintesi è avvenuta su una superficie sottile di oro, mantenuta a temperatura criogenica estremamente bassa, condizione necessaria per stabilizzare configurazioni così delicate. Per controllare il posizionamento degli atomi e mappare le proprietà elettroniche della struttura, i ricercatori hanno impiegato due strumenti di precisione atomica: un microscopio a forza atomica (AFM) e un microscopio a effetto tunnel (STM), entrambi capaci di operare alla scala del singolo atomo.
La chiave della topologia insolita risiede nel comportamento degli elettroni nella molecola. In strutture di questo tipo, detti sistemi aromatici π-coniugati, gli elettroni non sono localizzati attorno ai singoli atomi ma si distribuiscono come onde di materia in regioni estese dell'intera molecola. Sono proprio le interazioni tra questi elettroni delocalizzati a generare la torsione mai osservata in precedenza, producendo quella che i ricercatori hanno denominato topologia "mezzo-Möbius".
Un aspetto di particolare interesse pratico riguarda la controllabilità della struttura. Applicando un breve impulso elettromagnetico alla molecola, il team è riuscito a commutare la torsione da una configurazione levogira a una destrogira, o ad eliminarla completamente, ingegnerizzando la topologia su richiesta. Come sottolinea Rončević, "questa molecola è molto nuova e del tutto inattesa: l'interesse non è solo nell'aver creato una molecola con una topologia insolita, ma nell'aver dimostrato che questa topologia è possibile, qualcosa a cui nessuno aveva davvero pensato prima."
Per interpretare teoricamente l'esistenza di questa molecola e le sue proprietà, il team ha fatto ricorso a due approcci computazionali complementari. Le simulazioni su computer classici, per quanto potenti, incontrano limiti fondamentali nel riprodurre esattamente le correlazioni tra elettroni quantistici. I computer quantistici, al contrario, sono costruiti a partire da oggetti quantistici in interazione e possono simulare sistemi analoghi con un livello di affidabilità superiore. In questo contesto, l'utilizzo di un computer quantistico IBM non è stato un esercizio accademico, ma uno strumento essenziale per validare la struttura osservata sperimentalmente. Come ha commentato Ivano Tavernelli di IBM Research, membro del team, questo esperimento rappresenta un esempio concreto di come i computer quantistici siano già oggi utili per risolvere problemi reali di chimica.
La comunità scientifica internazionale ha accolto il risultato con apprezzamento. Gemma Solomon, dell'Università di Copenaghen, ha definito l'esperimento "un risultato notevole che attraversa molteplici dimensioni: chimica organica, scienza delle superfici, nanoscienza e chimica quantistica." Kenichiro Itami del RIKEN, il prestigioso istituto scientifico giapponese, ha sottolineato come lo studio porti "concetti topologici astratti nel regno vivido della chimica molecolare", definendolo un tour de force tecnico. Dongho Kim dell'Università di Yonsei in Corea del Sud, pioniere delle ricerche sulle molecole di tipo Möbius, ha evidenziato come la capacità di commutare la forma della molecola apra prospettive concrete per applicazioni nei sensori chimici, ad esempio molecole che cambino configurazione in modo programmato in risposta a campi magnetici.
Dal punto di vista della ricerca di base, la scoperta allarga in modo sostanziale lo spazio delle topologie molecolari accessibili ai chimici. Finora la topologia era considerata una proprietà difficilmente modificabile delle molecole; questa ricerca suggerisce invece che potrebbe diventare una leva progettuale, analoga alla composizione chimica o alla struttura cristallina, per ingegnerizzare molecole con funzioni specifiche. Le implicazioni sono potenzialmente ampie nel campo dei materiali molecolari, dell'elettronica organica e della chimica supramolecolare, sebbene si tratti ancora di risultati preliminari che richiedono ulteriori indagini e, soprattutto, la verifica di percorribilità sintetica in condizioni meno estreme di quelle criogeniche utilizzate in questo studio.
Le domande aperte sono numerose e stimolanti. È possibile sintetizzare molecole "mezzo-Möbius" in soluzione, fuori dalle condizioni di superficie criogenica? Esistono topologie ancora più complesse, con sei o più circuiti necessari? Come si comportano queste strutture in presenza di altri campi esterni — elettrici, ottici, chimici — e quali proprietà emergenti potrebbero manifestare? La risposta a questi interrogativi definirà nei prossimi anni i contorni di una nuova chimica delle topologie molecolari, in cui la forma dello spazio percorso dagli elettroni diventa tanto importante quanto la natura degli atomi che compongono la molecola.
