Vite di Archimede grande quanto una molecola

Un team internazionale di fisici ha sviluppato, per la prima volta, una «macchina» molecolare basata sul principio della vite di Archimede. La molecola "elicoidale" viene messa in rotazione da una corrente elettrica. Quando la rotazione raggiunge una determinata velocità, l'intensità della corrente aumenta bruscamente, fino a cento volte. Il gruppo di ricerca del professor Fabian Pauly, presso l'Università di Augusta (Germania), per spiegare gli effetti osservati ha utilizzato simulazioni al computer basate sulla meccanica quantistica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Le macchine molecolari sono considerate la frontiera successiva della miniaturizzazione. Esempi di tali sistemi si trovano nelle cellule viventi, dove i motori molecolari convertono l'energia in movimento. Da decenni, gli scienziati lavorano per replicare artificialmente questi meccanismi; un impegno che è valso il Premio Nobel per la Chimica nel 2016 (assegnato congiuntamente a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa «per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari»).

Un modello dall'antichità

Dal 2011 esistono motori molecolari alimentati direttamente da una corrente elettrica. Finora, tuttavia, essi hanno operato esclusivamente come molecole su una superficie, azionate dalla punta di un microscopio a effetto tunnel.

Per la loro nuova macchina, i ricercatori hanno tratto ispirazione da uno dei dispositivi più antichi documentati nella storia dell'umanità: la vite di Archimede, utilizzata notoriamente per sollevare l'acqua. Il team ha applicato questo principio su scala molecolare, una struttura elicoidale viene fatta ruotare facendo fluire gli elettroni al posto dell'acqua.

Una vite molecolare tra due punte d'oro

Il cuore del dispositivo è una molecola elicoidale, sintetizzata appositamente per questo studio dal gruppo del professor Michael Pittelkow presso l'Università di Copenaghen. La molecola, che misura appena pochi milionesimi di millimetro, può essere ancorata a superfici d'oro tramite atomi di zolfo. Presso il Weizmann Institute of Science, in Israele, gli scienziati del team del professor Oren Tal e del dottor Anil Kumar Singh sono riusciti a disporre singole molecole una dietro l'altra in modo da posizionarle tra due punte d'oro, affinate fino a raggiungere una scala atomica. Regolando con precisione la distanza tra gli elettrodi, i ricercatori sono stati in grado di allungare o comprimere la vite molecolare.

Primo motore molecolare con direzione di rotazione controllabile

Le misurazioni effettuate dai ricercatori hanno mostrato che la molecola ruota non appena viene applicata una tensione. La direzione di rotazione è univoca e può essere invertita modificando la polarità della tensione. Lo studio dimostra, per la prima volta, che è possibile realizzare un motore molecolare azionato da corrente elettrica e dotato di una direzione di rotazione controllabile saldamente ancorato a due elettrodi metallici.

Il movimento è generato dagli elettroni stessi che, fluendo attraverso la molecola a forma di elica, le trasferiscono momento angolare (per analogia basti pensare allo stesso principio di funzionamento che aziona una turbina eolica grazie al vento). La direzione è determinata dalla struttura a spirale della molecola, proprio come nel caso di una vite con filettatura destrorsa o sinistrorsa. Oltre una certa soglia di tensione, questo movimento si trasforma in una rotazione continua.

I calcoli dei ricercatori dell'Università di Augusta svelano il meccanismo

Ma perché una molecola in rotazione conduce l'elettricità in modo significativamente migliore rispetto a una ferma? Il professor Fabian Pauly e i suoi dottorandi Léon Martin e Yuta Ito, della Cattedra di Fisica Teorica I dell'Università di Augusta, hanno indagato questo fenomeno attraverso simulazioni di meccanica quantistica eseguite sul supercomputer LiCCA (Linux Compute Cluster Augsburg, si tratta del cluster di calcolo ad alte prestazioni (HPC) gestito dal Centro di calcolo dell'Università di Augusta). I calcoli hanno dimostrato che la rotazione della molecola è strettamente legata alla sua conducibilità. Quest'ultima dipende in misura notevole dall'angolo di rotazione della molecola e, durante il movimento, può aumentare fino a due ordini di grandezza.

«L'aspetto sorprendente è dovuto al fatto che proprio le posizioni che la molecola evita quando è ferma sono quelle che conducono meglio l'elettricità. È solo la rotazione a rendere accessibili tali posizioni», spiega Léon Martin.

Il successo della ricerca è dovuto a una collaborazione internazionale

Partendo da questi risultati, i proff. Per Hedegård del Niels Bohr Institute di Copenaghen, e Jing-Tao Lü, della Huazhong University of Science and Technology di Wuhan, hanno sviluppato un modello semplificato in grado di riprodurre con successo la rotazione osservata sperimentalmente e l'aumento di corrente.

«Nell'esperimento si osserva solo la corrente. I nostri calcoli ci permettono di intuire cosa accada all'interno del nanocontatto. Solo grazie a una stretta collaborazione tra sperimentazione e teoria, che ha coinvolto diversi Paesi, è stato possibile risolvere il mistero dell'aumento della corrente», afferma Yuta Ito, dottorando di origini giapponesi.

Implicazioni per le applicazioni future

La scoperta apre prospettive per componenti elettronici molecolari, applicazioni nella spintronica e nei sistemi microfluidici. Inoltre, tali macchine in miniatura offrono nuove opportunità per lo studio dei processi fisici su scala atomica.

«Abbiamo dimostrato che una corrente elettrica può essere utilizzata per generare una rotazione in un determinato verso e che tale rotazione, a sua volta, controlla la corrente stessa. Si tratta di un nuovo principio di funzionamento per macchine che si collocano ai limiti estremi della miniaturizzazione», spiega Pauly.

Finanziamenti

Il lavoro svolto presso l'Università di Augusta è stato finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) nell'ambito del Centro di ricerca collaborativa (SFB) 1585 (numero di progetto 492723217). I calcoli sono stati eseguiti sul supercomputer LiCCA dell'Università di Augusta (numero di progetto DFG 499211671). Le istituzioni partner hanno ricevuto finanziamenti, tra gli altri, dall'European Research Council (ERC, Horizon 2020, sovvenzione 864008), dall'Israel Science Foundation (2129/23), dalla Minerva Foundation, dalla Villum Foundation, dalla Novo Nordisk Foundation, dall'Independent Research Fund Denmark (DFF), dal National Key Research and Development Programme of China e dalla National Natural Science Foundation of China.

La pubblicazione

Anil Kumar Singh, Léon Martin, Matea Sršen, Freja Schou Guttesen, Bing-Zhong Hu, Yuta Ito, Stephan Korsgaard Pedersen, Fadhil Suleiman Kamounah, Fabian Pauly, Michael Pittelkow, Jing-Tao Lü, Per Hedegård & Oren Tal: macchina molecolare azionata da coppia che funziona come potenziatore di corrente. Nature 2026.