Gli scienziati dell’IBM Research di Zurigo hanno utilizzato una tecnica sofisticata, chiamata microscopia a forza atomica ad assenza di contatto (NC-AFM, No Contact Atomic Force Microscope), per visualizzare per la prima volta i legami chimici in singole molecole complesse come il celebre fullerene o gli idrocarburi aromatici policiclici (PAHs, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). I ricercatori hanno ricavato l’ordine di legame, cioè un indice dell’intensità del legame chimico tra due atomi, e la lunghezza dei legami carbonio-carbonio in due idrocarburi aromatici policiclici e nel C60; quest’ultimo è più conosciuto come fullerene, conosciuto anche come buckyball a causa della forma simile a una sfera o a un elissoide o, più suggestivamente, a un pallone da calcio: entrambe le denominazioni sono un richiamo alle costruzioni poliedriche dell’architetto Buckminster Fuller.
I legami tra gli atomi di carbonio nei PAHs differiscono leggermente nella loro lunghezza e forza e tutte le importanti proprietà chimiche, elettroniche e ottiche di queste molecole sono relative alle differenze dei legami nei sistemi poliaromatici: per la prima volta queste differenze sono state rilevate in singole molecole e in singoli legami. Questo studio può aumentare la comprensione a livello di molecole singole, importanti per la ricerca di nuovi congegni elettronici, celle solari organiche e diodi organici ad emissione di luce (OLED, Organic Light Emitting Diode).
In particolare, possono essere studiati il rilassamento dei legami intorno ai difetti del grafene (altro materiale di grande attualità), i cambiamenti dei legami nelle reazioni chimiche e negli stati eccitati. Gli scienziati dell’IBM Research hanno utilizzato un NC-AFM con una punta di dimensioni atomiche, sospesa all’estremità da una microleva, che termina con una singola molecola di monossido di carbonio (CO): l’estremità oscilla con una minuscola ampiezza sopra il campione per misurare le forze tra la punta e il sistema studiato, come per esempio una molecola, allo scopo di creare un’immagine.
La terminazione in CO agisce come una potente lente di ingrandimento per rivelare la struttura della molecola, compresi i suoi legami. Nella precedente ricerca, il gruppo di studiosi era riuscito a visualizzare la struttura molecolare, ma non le sottili differenze dei legami: dal punto di vista sperimentale, la lunghezza di legame può essere determinata con notevole accuratezza grazie a tecniche che sfruttano la diffrazione della radiazione elettromagnetica che colpisce i cristalli. Queste tecniche, però, forniscono valori medi su un grande numero di molecole: quando si tratta di studiare singoli legami occorre usare una tecnica più accurata come la microscopia elettronica.
Per avvalorare le scoperte sperimentali, gli scienziati hanno eseguito calcoli con la teoria del funzionale densità (DFT, Density Functional Theory); in tal modo hanno calcolato l’inclinazione della molecola di CO sull’estremità, durante il rilevamento: hanno scoperto come questa inclinazione produca un ingrandimento e le immagini molto nitide dei legami.
I risultati, pubblicati sulla rivista Science, spingono il mondo scientifico ad esplorare l’utilizzo delle molecole e degli atomi che possono essere importanti, per esempio, per lo studio di dispositivi di grafene, studiati sia in campo industriale sia in quello accademico per applicazioni come la comunicazione wireless a banda larga e i display elettronici.
