Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a stabilizzare con successo le molecole di ferrocene su un substrato piatto, aprendo la strada alla creazione di una macchina molecolare scorrevole controllabile elettronicamente. Queste macchine molecolari artificiali, composte da poche molecole, hanno un enorme potenziale in diversi settori, come la catalisi, l’elettronica molecolare, la medicina e i materiali quantistici. Funzionano su scala nanometrica trasformando stimoli esterni, come segnali elettrici, in movimento meccanico controllato a livello molecolare.
Il ferrocene: una molecola fondamentale
Il ferrocene, una molecola a forma di tamburo con un atomo di ferro (Fe) sandwich tra due anelli di carbonio a cinque membri, è una scelta eccezionale per le macchine molecolari. La sua importanza è stata riconosciuta con il Premio Nobel in Chimica nel 1973, posizionandolo come una molecola fondamentale in questo campo di ricerca. La caratteristica più interessante del ferrocene è la sua capacità di rotazione degli anelli di carbonio attorno all’asse centrale della molecola, indotta da un cambiamento dello stato elettronico dell’ione Fe da Fe² a Fe³. Questa rotazione può essere controllata con segnali elettrici esterni, consentendo una manipolazione precisa a livello molecolare.
La sfida superata
Tuttavia, una sfida significativa ha impedito l’applicazione pratica del ferrocene: quando adsorbito su superfici, in particolare substrati metallici nobili piatti, il ferrocene si decompone a temperature vicine alla temperatura ambiente, anche in condizioni di ultra-alto vuoto. Fino a poco tempo fa, non esisteva un metodo affidabile per ancorare le molecole isolate di ferrocene su una superficie senza causarne la decomposizione.
- Un team di ricerca guidato dal Professore Associato Toyo Kazu Yamada dell’Università di Chiba, Giappone, ha finalmente superato questa sfida.
- Hanno creato con successo la macchina molecolare controllata elettricamente più piccola al mondo.
Per stabilizzare le molecole di ferrocene, il team le ha modificate aggiungendo sali di ammonio, formando così sali di ammonio di ferrocene (Fc-amm). Questo ha migliorato la durabilità e ha permesso di fissare saldamente le molecole alla superficie del substrato.
Il film monomolecolare protettivo
Successivamente, le nuove molecole sono state ancorate su un film monomolecolare composto da molecole cicliche di etere corona, posizionate su un substrato di rame piatto. Le molecole cicliche di etere corona hanno un anello centrale che può ospitare una varietà di atomi, molecole e ioni. Questo film monomolecolare ha agito come uno scudo contro il substrato metallico, impedendo la decomposizione del ferrocene.
Controllo elettrico del movimento molecolare
Utilizzando una sonda di microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) e applicando una tensione elettrica, il team ha osservato un movimento laterale delle molecole di ferrocene. La tensione ha causato un cambio nello stato elettronico dell’ione Fe, innescando la rotazione degli anelli di carbonio e il movimento laterale della molecola. Questo movimento è reversibile e può essere controllato con precisione utilizzando segnali elettrici.
Questo studio apre interessanti possibilità per le macchine molecolari basate sul ferrocene, con potenziali applicazioni in settori come la medicina di precisione, i materiali intelligenti e la produzione avanzata. Rappresenta una svolta cruciale nella progettazione e nel controllo delle macchine molecolari, promettendo significativi progressi in numerosi campi scientifici e industriali.
Links:
