La pentola a pressione molecolare

Sembra un po' una cantina per hobbisti: scaffali di attrezzi alla parete, tavoli con strani apparecchi, viti, pinze, accessori elettronici e meccanici, una postazione di lavoro per computer, una torre con componenti elettronici di diverse epoche e, proprio al centro, il vero e proprio setup sperimentale: una costruzione composta da una camera a vuoto con varie linee e finestre di controllo e un microscopio a scansione di tunnel come elemento centrale. Qui lavorano Markus Lackinger, responsabile del Laboratorio di Nanoscienze del Deutsches Museum, e il suo postdoc Lukas Grossmann.

Il loro campo di ricerca si chiama "OSS", On-Surface Synthesis: molecole appositamente progettate vengono depositate su una superficie e poi fatte reagire mediante riscaldamento in un vuoto ultra-elevato, al fine di combinarle per formare nanostrutture (sintesi). "Nel modo convenzionale, le molecole per questi processi vengono applicate alle superfici metalliche, il che favorisce la reazione, ma purtroppo presenta anche svantaggi tangibili", spiega Markus Lackinger.

Ad esempio, le interazioni con il metallo sottostante influenzano e modificano le proprietà delle nanostrutture risultanti, che sono particolarmente importanti per le applicazioni. Inoltre, i metalli - oro, argento o rame sono i più utilizzati - garantiscono una minore stabilità delle nanostrutture perché non solo facilitano la reazione di collegamento desiderata, ma accelerano anche la decomposizione delle reti e delle molecole. Le superfici metalliche sono inoltre molto suscettibili alla contaminazione e all'ossidazione. Questo aspetto è critico se le nanostrutture devono essere utilizzate in futuro al di fuori del vuoto spinto in cui sono state prodotte.

Circa un anno fa, Markus Lackinger e il suo collega Lukas Grossmann hanno quindi iniziato a sperimentare la grafite come substrato per la sintesi molecolare. "La grafite non ha alcun effetto chimico sulla nostra reazione", spiega Grossmann, "il che significa che le nanostrutture molecolari vengono create esclusivamente grazie all'influenza della temperatura. Ciò significa che la superficie della grafite non contribuisce alla decomposizione, il che rende le nanostrutture su grafite molto più robuste che su una superficie metallica". Inoltre, poiché le nanostrutture interagiscono solo debolmente con il substrato di grafite, sarebbe più facile studiare le loro proprietà intrinseche in futuro e utilizzarle in seguito.

Ma non è stato così semplice - sostituire l'oro con la grafite - dopo tutto: "Quando si riscalda, viene a mancare un importante vantaggio dei metalli, ovvero il fatto che essi legano fortemente le molecole sulla superficie", spiega Lackinger. "Se le molecole fossero state adagiate sulla grafite, si sarebbero dissolte in aria con l'aumentare della temperatura". Per così dire, perché "aria" è in realtà il termine sbagliato in questo caso, dato che la sintesi avviene normalmente nel vuoto.

Ed è proprio qui che si trova la soluzione al problema: "Il nostro trucco è che non riscaldiamo nel vuoto, ma in un'atmosfera di gas nobili", spiega Markus Lackinger. "Gli atomi di argon mantengono le nostre molecole sulla superficie della grafite abbastanza a lungo da permettere loro di reagire tra loro a temperature più elevate senza volare via". Un altro trucco è stato quello di aumentare la temperatura circa cento volte più lentamente del solito. Questo è l'unico modo per dare alle molecole il tempo sufficiente per legarsi e stabilizzarsi alla temperatura di reazione.

Il metodo funziona anche sulle superfici del materiale miracoloso grafene. Questo materiale bidimensionale, con uno spessore di un solo atomo di carbonio, è ancora meno reattivo e particolarmente interessante per la scienza grazie alle sue proprietà esotiche: "Le nanostrutture molecolari covalenti sul grafene potrebbero essere il punto di partenza per la produzione e la ricerca di nuovi tipi di componenti elettronici realizzati con nanostrutture molecolari", afferma Markus Lackinger.

Con la pubblicazione della "pentola a pressione molecolare", come Markus Lackinger chiama il riscaldamento in gas nobile, sulla rivista Angewandte Chemie International Edition, i risultati potrebbero diventare la base per ulteriori ricerche da parte di altri gruppi di lavoro. Nei laboratori del Museo della Ricerca sull'Isola dei Musei di Monaco, tuttavia, gli scienziati testeranno prima il loro metodo con altre molecole.