I ricercatori sono riusciti per la prima volta a stabilizzare le molecole di ferrocene su un substrato piatto, consentendo la creazione di una macchina molecolare scorrevole controllabile elettronicamente
Le macchine molecolari artificiali, composte solo da poche molecole, hanno un potenziale di trasformazione in diversi campi, tra cui la catalisi, l’elettronica molecolare, la medicina e i materiali quantistici. Questi dispositivi su scala nanometrica funzionano convertendo gli stimoli esterni, come i segnali elettrici, in movimento meccanico controllato a livello molecolare. Il ferrocene, una molecola unica a forma di tamburo con un atomo di ferro (Fe) inserito tra due anelli di carbonio a cinque membri, è un candidato eccezionale per i macchinari molecolari. La sua scoperta, che le è valsa il Premio Nobel per la Chimica nel 1973, l'ha posizionata come una molecola fondamentale in quest'area di studio.
Il fascino del ferrocene risiede nella sua straordinaria proprietà: un cambiamento nello stato elettronico dello ione Fe, da Fe2+ a Fe³+, induce una rotazione di 36° degli anelli di carbonio attorno all'asse centrale della molecola. Questa rotazione può potenzialmente essere controllata con segnali elettrici esterni, consentendo una manipolazione precisa a livello molecolare.
Nonostante le sue promesse, una sfida significativa ha ostacolato l’applicazione pratica del ferrocene. Quando adsorbito su superfici, in particolare su substrati piani di metalli nobili, il ferrocene si decompone a temperatura ambiente, anche in condizioni di vuoto ultra elevato. Fino a poco tempo fa non era stato trovato alcun metodo affidabile per ancorare le molecole di ferrocene isolate su una superficie senza innescarne la decomposizione.
Svolta nella stabilizzazione del ferrocene
In uno studio innovativo, pubblicato sulla rivista Small (1), un gruppo di ricerca guidato dal professore associato Toyo Kazu Yamada della Graduate School of Engineering della Chiba University, in Giappone, tra cui il professor Peter Krüger della Facoltà di Ingegneria della Chiba University, il professor Satoshi Kera dell'Istituto di scienze molecolari, in Giappone e il professor Masaki Horie della National Tsing Hua University di Taiwan hanno finalmente superato questa sfida. Hanno creato con successo la più piccola macchina molecolare controllata elettricamente al mondo.
«In questo studio, abbiamo stabilizzato e adsorbito con successo molecole di ferrocene su una superficie di metallo nobile prerivestindola con una pellicola molecolare bidimensionale di etere corona. Questa è la prima prova sperimentale diretta del movimento molecolare basato sul ferrocene su scala atomica», osserva il professor Toyo Kazu Yamada (2).
Per stabilizzare le molecole di ferrocene, il team le ha prima modificate aggiungendo sali di ammonio, formando sali di ammonio ferrocene (Fc-amm). Ciò ha migliorato la durabilità e ha garantito che le molecole potessero essere fissate saldamente alla superficie del substrato. Queste nuove molecole sono state poi ancorate su un film monostrato costituito da molecole cicliche di etere corona, che sono state posizionate su un substrato piatto di rame. Le molecole cicliche dell'etere corona hanno una struttura unica con un anello centrale che può contenere una varietà di atomi, molecole e ioni.
Meccanismo di stabilizzazione e movimento molecolare
Il professor Yamada spiega: «In precedenza, abbiamo scoperto che le molecole cicliche dell’etere corona possono formare una pellicola monostrato su substrati metallici piatti. Questo monostrato intrappola gli ioni ammonio delle molecole Fc-amm nell’anello centrale delle molecole dell’etere corona, prevenendo la decomposizione del ferrocene agendo come uno scudo contro il substrato metallico».
Successivamente, il team ha posizionato una sonda per microscopia a effetto tunnel (STM) sopra la molecola Fc-amm e ha applicato una tensione elettrica, che ha causato un movimento di scorrimento laterale delle molecole. Nello specifico, quando viene applicata una tensione di -1,3 volt, una lacuna (spazio vuoto lasciato da un elettrone) entra nella struttura elettronica dello ione Fe, facendolo passare dallo stato Fe2+ allo stato Fe3+. Ciò ha innescato la rotazione degli anelli di carbonio accompagnata da un movimento di scorrimento laterale della molecola. I calcoli della teoria del funzionale della densità hanno mostrato che questo movimento di scorrimento laterale si verifica a causa della repulsione di Coulomb tra gli ioni Fc-amm caricati positivamente. È importante sottolineare che, quando la tensione viene rimossa, la molecola ritorna nella sua posizione originale, dimostrando che il movimento è reversibile e può essere controllato con precisione utilizzando segnali elettrici.
«Questo studio apre interessanti possibilità per i macchinari molecolari basati sul ferrocene. La loro capacità di svolgere compiti specializzati a livello molecolare può portare a innovazioni rivoluzionarie in molti campi scientifici e industriali, tra cui la medicina di precisione, i materiali intelligenti e la produzione avanzata», afferma il professor Yamada, evidenziando le potenziali applicazioni della loro tecnologia.
In sintesi, questo studio presenta una svolta cruciale nella progettazione e nel controllo delle macchine molecolari che può portare a progressi significativi in numerosi campi.
Finanziamento: JSPS KAKENHI, Murata Science Foundation, Shorai Foundation for Science and Technology, TEPCO Memorial Foundation, Cooperative Research by Institute for Molecular Science, Casio Science Foundation.
Riferimenti:
(2) Toyo Kazu Yamada
Descrizione foto: Il complesso del ferrocene legato all'ammonio (Fc-amm) e dell'etere corona è assemblato su una superficie di Cu(111) e il suo movimento di scorrimento viene attivato mediante iniezione di fori nel gruppo ferrocenico utilizzando la microscopia a effetto tunnel (STM). - Credit: Toyo Kazu Yamada from Chiba University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Unveil World’s Smallest Molecular Machine