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Una nuova ricerca IBM individua i singoli legami molecolari

I ricercatori IBM sono riusciti per la prima volta a evidenziare i legami chimici nelle singole molecole, utilizzando una tecnica nota come microscopia a forza atomica (Atomic Force Microscopy, AFM) senza contatto. “Abbiamo trovato due meccanismi di contrasto diversi per differenziare i legami. Il primo si basa su piccole differenze nella forza misurata al di sopra dei legami. Ci aspettavamo questo tipo di contrasto, ma la rilevazione è stata una sfida” ha psiegato il ricercatore Leo Gross. “Il secondo meccanismo di contrasto ci ha colto di sorpresa: i legami comparivano con diverse lunghezze nelle misurazioni con AFM. Con l’aiuto di calcoli ab initio abbiamo scoperto che la causa di questo contrasto è l’inclinazione della molecola di monossido di carbonio all’apice della punta”.

Come riferito nell’articolo di copertina del numero della rivista Science del 14 settembre, i ricercatori hanno fotografato l’ordine di legame e la lunghezza dei singoli legami carbonio-carbonio in C60, noti anche come buckyball per la forma simile a un pallone da football e due idrocarburi policiclici aromatici (IPA) planari, che assomigliano a piccole scaglie di grafene. Gli IPA erano stati sintetizzati dal Centro de Investigacion en Quimica Bioloxica e Materiais Moleculares (CIQUS) dell’Universidade de Santiago de Compostela e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) di Tolosa.

I singoli legami tra gli atomi di carbonio in tali molecole differiscono leggermente in termini di lunghezza e resistenza. Tutte le proprietà chimiche, elettroniche e ottiche importanti di tali molecole sono correlate alle differenze di legame nei sistemi poliaromatici. Ora, per la prima volta, queste differenze sono state rilevate sia per le singole molecole sia per i legami. Ciò può aumentare la comprensione di base a livello delle singole molecole, importante per la ricerca su nuovi dispositivi elettronici, celle solari organiche e diodi emissione di luce organici (OLED). In particolare, potrebbero essere oggetto di studio il rilassamento dei legami intorno ai difetti nel grafene, nonché la modificazione dei legami nelle reazioni chimiche e negli stati di eccitazione.

Come è stato fatto in una ricerca precedente (Science 2009, 325, 1110), i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica (AFM), con una punta che termina con una singola molecola di monossido di carbonio (CO). Questa punta oscilla con un’ampiezza minuscola al di sopra del campione, per misurare le forze tra la punta e il campione, come nel caso di una molecola, per creare un’immagine. La terminazione in CO della punta agisce da potente lente di ingrandimento, per rivelare la struttura atomica della molecola, inclusi i suoi legami. Ciò ha consentito di distinguere singoli legami che differiscono di soli 3 picometri, ovvero 3 × 10-12 metri, pari a circa un centesimo del diametro di un atomo.

Nella ricerca precedente, l’équipe era riuscita a creare l’immagine della struttura chimica di una molecola, ma non delle sottili differenze dei legami. La discriminazione dell’ordine di legame è vicina all’attuale limite di risoluzione della tecnica, e spesso altri effetti oscurano il contrasto correlato a tale ordine. Pertanto, gli scienziati hanno dovuto selezionare e sintetizzare le molecole in cui potessero essere esclusi gli effetti di fondo perturbanti. 

Per corroborare i risultati sperimentali e ottenere ulteriori elementi di conoscenza sull’esatta natura dei meccanismi di contrasto, l’equipe ha eseguito ulteriori calcoli. In questo modo, hanno calcolato l’inclinazione della molecola di CO all’apice della punta che si verifica durante la procedura di imaging e hanno scoperto come questa inclinazione produca un ingrandimento e immagini molto nitide dei legami.

Fonte: IBM

[A cura di Mauro Notarianni]

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