La struttura chimica della molecola ad alta risoluzione

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Catturata l’immagine in alta risoluzione l’immagine dell'”anatomia” di una molecola. Acquisire le immagini dei singoli atomi all’interno di una molecola è da tempo un obiettivo della microscopia di superficie

Gli scienziati IBM del centro di Zurigo sono riusciti ad acquisire l’immagine dell'”anatomia” – o struttura chimica – all’interno di una molecola con una risoluzione senza precedenti, utilizzando una tecnica complessa, nota come microscopia a forza atomica senza contatto. I risultati stimolano l’esplorazione dell’uso di molecole e atomi sulla più piccola scala e potrebbero avere un enorme impatto nel campo della nanotecnologia, che cerca di comprendere e controllare alcuni degli oggetti più minuscoli noti all’umanità .

La recente pubblicazione dello studio è successiva a un altro esperimento, pubblicato solo due mesi fa sul numero del 12 giugno di Science (Volume 324, Numero 5933, pagg. 1428-1431), in cui gli scienziati hanno misurato gli stati di carica degli atomi utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). Questi risultati rivoluzionari apriranno nuove possibilità  per studiare la modalità  di trasmissione della carica attraverso le molecole o le reti molecolari. Comprendere la distribuzione della carica su scala atomica è essenziale per costruire componenti di calcolo più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai processori e ai dispositivi di memoria di oggi. Questi componenti potrebbero un giorno contribuire a realizzare la visione di IBM di un pianeta più intelligente, aiutando a dotare di strumenti ed a interconnettere il mondo fisico.

Come riportato nel numero del 28 agosto della rivista Science, gli scienziati del centro IBM di Zurigo Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll e Gerhard Meyer, in collaborazione con Peter Liljeroth dell’Università  di Utrecht, hanno utilizzato un microscopio a forza atomica in ultravuoto e bassissime temperature (-268 °C, o -451 °F) per acquisire le immagini della struttura chimica di singole molecole di pentacene. Con il microscopio AFM, gli scienziati IBM, per la prima volta nella storia, sono riusciti a guardare attraverso la nuvola di elettroni e vedere l’ossatura atomica di una singola molecola. Anche se non si tratta di un confronto tecnologico diretto, ciò ricorda le radiografie che passano attraverso il tessuto molle per consentire di acquisire immagini chiare delle ossa.

La punta decisiva
Il microscopio AFM utilizza una punta di metallo affilata per misurare le minuscole forze tra la punta e il campione, come ad esempio una molecola, per creare un’immagine. Negli esperimenti in questione, la molecola studiata è stata il pentacene. Il pentacene è una molecola organica oblunga, composta da 22 atomi di carbonio e 14 atomi di idrogeno e lunga 1,4 nanometri. Lo spazio tra gli atomi di carbonio adiacenti è di appena 0,14 nanometri, circa 1 milione di volte più piccolo del diametro di un granello di sabbia. Nell’immagine sperimentale, le forme esagonali dei cinque anelli di carbonio, nonché gli atomi di carbonio, nella molecola sono chiaramente definiti. Dall’immagine possono essere dedotte perfino le posizioni degli atomi di idrogeno della molecola.

“Per ottenere la risoluzione atomica è stato utilizzato l’apice della punta atomicamente affilato e definito, oltre all’elevatissima stabilità  del sistema”, ricorda Leo Gross, scienziato IBM. “Per acquisire l’immagine della struttura chimica di una molecola con un AFM, è necessario intervenire in strettissima prossimità  alla molecola. L’intervallo in cui le interazioni chimiche danno un contributo significativo alle forze è inferiore a un nanometro. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati IBM hanno dovuto aumentare la sensibilità  della punta e superare un’importante limitazione: così come due magneti si attraggono o si respingono quando si avvicinano, le molecole possono essere facilmente spostate dalla punta o aderire ad essa quando la punta si avvicina troppo, rendendo impossibile qualsiasi ulteriore misurazione.

Aggiunge Leo Gross: “Abbiamo preparato la punta scegliendo deliberatamente singoli atomi e molecole e abbiamo dimostrato che è il primo atomo o molecola della punta a governare il contrasto e la risoluzione delle nostre misurazioni con l’AFM”. Una punta terminata da una molecola di monossido di carbonio (CO) ha prodotto il contrasto ottimale, a un’altezza della punta di circa 0,5 nanometri sopra la molecola oggetto di indagine e * agendo come una potente lente di ingrandimento * ha definito i singoli atomi all’interno della molecola di pentacene, rivelandone l’esatta struttura chimica su scala atomica.

Inoltre, gli scienziati sono stati in grado di evidenziare una mappa completa tridimensionale della forza della molecola esaminata. “Per ottenere una mappa completa della forza, era necessario che il microscopio fosse altamente stabile, sia meccanicamente che termicamente, per assicurare che sia la punta dell’AFM che la molecola rimanessero inalterati durante le oltre 20 ore di acquisizione dei dati”, spiega Fabian Mohn, che sta svolgendo la sua tesi di dottorato presso IBM Research * Zurigo.
Per avvalorare i risultati sperimentali e ottenere ulteriori elementi di conoscenza sull’esatta natura del meccanismo di acquisizione delle immagini, lo scienziato IBM Nikolaj Moll ha eseguito i calcoli della teoria del funzionale della densità  da principi primi del sistema oggetto d’indagine. Spiega: “I calcoli ci hanno aiutato a capire che cosa ha causato il contrasto atomico. In effetti, abbiamo riscontrato che la sua origine è stata la repulsione di Pauli tra la molecola di CO e di pentacene”. Questa forza repulsiva deriva da un effetto meccanico quantico, denominato principio di esclusione di Pauli. Tale principio afferma che due elettroni identici non possono avvicinarsi troppo l’uno all’altro.


[A cura di Mauro Notarianni]