Una vite di Archimede microscopica gira tra punte d'oro e aumenta la conduttività
Un team di ricerca internazionale ha costruito un motore molecolare azionato dalla corrente elettrica che aumenta la conduttività fino a cento volte.
Di Giovanni Sapere
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Fisici e chimici di Germania, Danimarca e Israele hanno costruito un motore molecolare azionato elettricamente basato sul disegno a spirale della vite di Archimede. L'invenzione a singola molecola, sospesa tra due punte d'oro su scala atomica, ruota in modo continuo quando la corrente la attraversa e inverte la direzione quando cambia la polarità elettrica. Misurando il trasporto di elettroni e modellando gli stati quantistici, i ricercatori hanno scoperto che il movimento rotatorio aumenta la conduttività elettrica fino a 100 volte.
Un meccanismo vecchio di due millenni su scala atomica
La vite di Archimede classica solleva l'acqua usando un cilindro rotante inclinato. In uno studio pubblicato tramite la University of Augsburg, gli scienziati hanno adattato quel principio meccanico per costruire un'invenzione che misura pochi milionesimi di millimetro. Invece di sollevare fluidi, questa molecola a forma di spirale trasforma il flusso di elettroni in rotazione meccanica.
I motori molecolari artificiali hanno funzionato per la prima volta con alimentazione elettrica nel 2011, ma quelle prime versioni poggiavano su superfici piatte e richiedevano la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel per indurre il movimento. Il nuovo disegno collega un ponte molecolare autoportante tra due elettrodi fissi. Questa architettura trasforma la molecola in un attuatore elettrico autonomo, facendo avanzare l'innovazione fondamentale nella meccanica su scala nanometrica.
«La cosa sorprendente è che sono proprio le posizioni che la molecola evita quando è a riposo a condurre meglio l'elettricità. È solo la rotazione a rendere accessibili queste posizioni.»
— Léon Martin, ricercatore di dottorato alla University of Augsburg
Elettrodi d'oro ed elettroni in rotazione
Il motore si basa su una molecola elicoidale su misura sintetizzata dal gruppo di ricerca del Prof. Michael Pittelkow alla University of Copenhagen. La struttura si ancora ai contatti metallici tramite atomi di zolfo terminali. Al Weizmann Institute of Science in Israele, il Prof. Oren Tal e il Dr. Anil Kumar Singh hanno posizionato singole molecole attraverso una giunzione tra due punte d'oro affilate.
Il team ha regolato la distanza tra gli elettrodi per comprimere o allungare la vite molecolare. Quando i ricercatori hanno applicato una tensione superiore a una soglia specifica, gli elettroni che fluivano attraverso la spirale hanno trasferito momento angolare alla struttura molecolare, avviando la rotazione. Invertendo la polarità della tensione si invertiva la direzione di rotazione, come reagiscono le filettature meccaniche destrorse e sinistrorse al flusso direzionale.
I modelli al supercomputer rivelano un balzo elettrico di cento volte
Durante le prove sperimentali, la molecola in rotazione conduceva la corrente elettrica molto meglio di quando era ferma. Per capire la fisica dietro questo comportamento, il Prof. Dr. Fabian Pauly e i ricercatori di dottorato Léon Martin e Yuta Ito della University of Augsburg hanno eseguito simulazioni di meccanica quantistica sul supercomputer LiCCA.
I calcoli hanno confermato che la conduttività cambia drasticamente con l'orientamento della spirale, aumentando di 100 volte durante la rotazione attiva. I risultati simulati sono stati ulteriormente sviluppati in un quadro teorico insieme ai fisici teorici Per Hedegård del Niels Bohr Institute e Jing-Tao Lü della Huazhong University of Science and Technology. Il modello ha dimostrato che la rotazione spinge la molecola attraverso stati geometrici ad alta conduzione che normalmente evita a riposo, dimostrando che il movimento meccanico può modulare direttamente il trasporto elettrico attraverso una giunzione a singola molecola, aprendo nuove frontiere per la robotica su scala nanometrica.
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