Le molecole chirali, quelle strutture elicoidali che caratterizzano numerose sostanze presenti in natura, hanno rivelato una proprietà sorprendente che ridisegna le nostre conoscenze sulla materia. Un gruppo di ricerca dell'Università di Tokyo ha dimostrato che queste molecole possono acquisire proprietà magnetiche e aderire ai magneti semplicemente attraverso le loro vibrazioni termiche naturali, senza bisogno di alcuna corrente elettrica applicata dall'esterno. La scoperta ribalta completamente ciò che fino ad oggi era considerato un principio consolidato nella fisica molecolare.
Per comprendere la portata di questa rivelazione, occorre partire da un fenomeno già noto alla scienza: la selettività di spin indotta dalla chiralità, nota con l'acronimo CISS. Fino a questo momento, gli scienziati credevano che le molecole chirali potessero manifestare comportamenti magnetici esclusivamente quando attraversate da una corrente elettrica, in modo simile a quanto accade negli elettromagneti. Questo modello interpretativo sembrava funzionare, ma presentava lacune evidenti: non riusciva a spiegare completamente gli effetti di magnetoresistenza osservati né i fenomeni CISS che si manifestavano anche in assenza di corrente elettrica.
Il professor Shinji Miwa dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido dell'Università di Tokyo, insieme al professor Tatsuhiko Ohto dell'Università di Nagoya e al loro team di ricerca, ha affrontato questo enigma con un approccio sperimentale innovativo. Gli scienziati hanno sviluppato una cella elettrochimica specializzata utilizzando tecnologie derivate dalla spintronica, una branca della fisica che studia le proprietà quantistiche degli elettroni.
L'apparato sperimentale ha permesso ai ricercatori di variare lo spessore di una pellicola d'oro e analizzare i cambiamenti nella corrente elettrica. I risultati hanno mostrato oscillazioni sia nell'intensità che nel segno delle variazioni osservate, un dato che indica inequivocabilmente la presenza di un accoppiamento di scambio interstrato tra le molecole chirali e il materiale magnetico. Questa evidenza sperimentale rappresenta la prima dimostrazione diretta che il fenomeno CISS deriva proprio da questo tipo di accoppiamento.
Ma il cuore della scoperta risiede nel meccanismo che rende possibile tale comportamento. Attraverso calcoli teorici basati sui principi primi della meccanica quantistica, i ricercatori hanno identificato l'origine di queste proprietà magnetiche: il moto vibratorio molecolare. Le molecole chirali, vibrando naturalmente a causa dell'energia termica, generano uno spin che dipende unicamente dalla loro chiralità – ovvero dal loro orientamento destrorso o sinistrorso – indipendentemente dalla direzione del campo magnetico esterno.
Questo meccanismo si distingue radicalmente dalla spiegazione precedente che richiedeva un flusso di corrente. Le implicazioni sono profonde e estese: poiché le vibrazioni molecolari sono un fenomeno universale che si verifica spontaneamente in qualsiasi ambiente con temperatura superiore allo zero assoluto, questa proprietà magnetica potrebbe manifestarsi in contesti estremamente diversificati. Dalle reazioni chimiche ai processi biologici, l'interazione tra chiralità e magnetismo potrebbe giocare un ruolo finora insospettato.
Nel mondo biologico, ad esempio, la chiralità è onnipresente: gli amminoacidi che compongono le proteine sono tutti levogiri, mentre gli zuccheri del DNA sono destrogiri. Questa asimmetria fondamentale della vita potrebbe essere influenzata da fenomeni magnetici legati alle vibrazioni molecolari, aprendo scenari completamente nuovi nella comprensione dei processi vitali. La capacità dei magneti di separare molecole chirali destre e sinistre, già documentata in precedenza, trova ora una spiegazione teorica solida.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Science Advances, rappresenta un ponte tra discipline apparentemente distanti. Le tecnologie spintroniche, sviluppate principalmente per applicazioni elettroniche avanzate, si rivelano strumenti preziosi per indagare fenomeni chimici e biologici fondamentali. Il team di ricerca prevede che questa nuova comprensione stimolerà sviluppi applicativi in campi che vanno dalla chimica alla medicina, dalla scienza dei materiali alle biotecnologie.
L'aspetto più affascinante della scoperta risiede nella sua semplicità concettuale: le molecole non hanno bisogno di essere "attivate" artificialmente per mostrare proprietà magnetiche. Il loro stesso esistere, vibrare e muoversi nell'ambiente circostante è sufficiente a generare effetti quantistici misurabili. Questo principio potrebbe spiegare fenomeni ancora misteriosi nell'interazione tra materia vivente e campi magnetici, un'area di ricerca che ha sempre suscitato interesse ma anche controversie scientifiche.
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