Distinti i legami chimici nelle singole molecole

Sfruttando un microscopio a forza atomica (AFM) ricercatori europei sono riusciti a differenziare i legami chimici nelle singole molecole

I finanziamenti dell'UE hanno contribuito a realizzare un primato scientifico: adottando una tecnica conosciuta come microscopia a forza atomica (AFM) ad assenza di contatto, gli scienziati sono riusciti a differenziare i legami chimici nelle singole molecole. Ne risulta che gli scienziati di tutto il mondo potranno ora compiere la ricerca su atomi e molecole alla scala più piccola possibile. Questo potrebbe dimostrarsi anche importante per lo studio di dispositivi al grafene, che vengono attualmente studiati sia in campo industriale che accademico per le loro numerose applicazioni quali le comunicazioni wireless a banda larga e i display elettronici.

Questa ricerca è stata finanziata nell'ambito di vari progetti europei tra cui ARTIST, HERODOT, CEMAS, il ministero spagnolo dell'economia e della competitività e il governo regionale della Galizia. I risultato ottenuti dal team di ricerca sono stati pubblicati in un recente numero di Science magazine.

Lo scienziato IBM Leo Gross spiega la scoperta del team: "Abbiamo trovato due diversi meccanismi di contrasto per distinguere i legami. Il primo si basa su piccole differenze nella forza misurata al di sopra dei legami. Ci aspettavamo questo tipo di contrasto, ma è stato difficile analizzarlo," ha affermato. "Il secondo meccanismo di contrasto è stato invece una vera sorpresa: nelle misurazioni AFM i legami sono apparsi con diverse lunghezze.

Con l'aiuto di calcoli ab initio abbiamo scoperto che l'inclinazione della molecola di monossido di carbonio posta sull'estremità è la causa di questo contrasto."

Gli scienziati impegnati nella ricerca hanno rappresentato l'ordine e la lunghezza del legame di singoli legami carbonio-carbonio nel C60, anche conosciuto come buckminsterfullerene per la sua somiglianza con un pallone da calcio, e due idrocarburi policiclici aromatici (PAH) planari, che assomigliano a piccoli fiocchi di grafene. Il primo fullerene venne scoperto nel 1985 e il Buckminsterfullerene (C60) fu così chiamato in onore di Buckminster Fuller poiché esso assomiglia alle sue cupole geodetiche. I PAH furono sintetizzati dal Centro de Investigacion en Quimica Bioloxica e Materiais Moleculares (CIQUS) presso l'Università di Santiago de Compostela in Spagna e dal Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS) a Tolosa in Francia.

Tuttavia, non tutti i legami sono uguali. I singoli legami tra atomi di carbonio in queste molecole differiscono leggermente in lunghezza e forza. Tutte le importanti proprietà chimiche, elettroniche e ottiche di tali molecole sono collegate alle differenze dei legami nei sistemi poliaromatici. Tuttavia, ora per la prima volta, queste differenze sono state individuate sia per le singole molecole che per i legami.

Questa nuova capacità permette ora di far aumentare la comprensione di base a livello delle singole molecole, e ciò è importante per la ricerca su nuovi dispositivi elettronici, celle solari organiche e diodi organici a emissione di luce (OLED). In particolare si potrebbero studiare l'allentamento dei legami attorno ai difetti nel grafene, oltre al cambiamento nei legami nelle reazioni chimiche e in stati eccitati.

In precedenza, il team di ricerca era riuscito a visualizzare la struttura chimica di una molecola ma non le sottili differenze dei legami. Riuscendo a distinguere l'ordine di legame ci si avvicina all'attuale limite della risoluzione della tecnica e spesso altri effetti nascondono il contrasto collegato all'ordine di legame. Quindi gli scienziati hanno dovuto scegliere e sintetizzare molecole in cui gli effetti di sottofondo perturbanti potevano essere esclusi.

Per avvalorare le scoperte sperimentali e ottenere ulteriori informazioni sull'esatta natura dei meccanismi di contrasto, il team ha eseguito calcoli ab inizio sfruttando la teoria del funzionale della densità. In tal modo essi hanno calcolato l'inclinazione della molecola di CO posta sull'estremità che si produce durante la visualizzazione. Essi hanno scoperto in che modo questa inclinazione produce un ingrandimento e immagini molto nitide dei legami.

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