Ricerca, Università di Trieste ancora protagonista: pubblicato studio di due ricercatori triestini

Pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica ACS Nano uno studio che mostra come singoli atomi di oro carichi positivamente, naturalmente disponibili sulle superfici di oro, possono essere sfruttati come "connettori" per legare fra loro molecole polari. A sottolinearne la novità e la rilevanza, il lavoro è stato anche oggetto di un articolo di Perspective

Il risultato è frutto della collaborazione tra ricercatori dell’Università di Trieste e dell’Istituto Officina dei Materiali del CNR, nell’ambito di un progetto di ricerca coordinato dal Dr. Carlo Dri del Dipartimento di Fisica. Fondamentale per il successo della ricerca è stato il contributo di due studenti della Scuola di Dottorato in Nanotecnologie dell’Università di Trieste, Zhijing Feng e Simone Velari, che hanno curato rispettivamente le misure di microscopia e le simulazioni teoriche dei complessi molecolari. 

La possibilità di sviluppare dispositivi elettronici e meccanici assemblando molecole organiche su superfici è da diversi decenni oggetto di studio intenso da parte della comunità scientifica, nella prospettiva di ottenere con tale approccio efficienze più elevate e dimensioni estremamente ridotte. In questo contesto, una delle sfide fondamentali e più complesse consiste nel riuscire a controllare con precisione le proprietà strutturali ed elettroniche delle architetture molecolari. In gran parte degli studi svolti fino ad ora per caratterizzare le interazioni inter-molecolari che determinano tali proprietà, viene sfruttata come substrato una superficie di oro, che bene si presta a questo scopo vista la sua scarsa reattività e quindi debole influenza sulle proprietà delle molecole. Tuttavia, è ben noto che anche l’oro, quando ridotto a particelle di dimensioni nanometriche, diventa molto reattivo, con svariate applicazioni che spaziano dalla medicina alla catalisi. Questa caratteristica, legata allo stato di carica degli atomi di oro, suggerisce l’idea che anche singoli atomi di oro, tipicamente disponibili in grande quantità sulle superfici di tale metallo, potrebbero essere sfruttati come “connettori” per legare fra loro molecole organiche. È proprio questa la scoperta ottenuta dai ricercatori triestini, che apre la porta al possibile sviluppo di svariate applicazioni, da nuovi catalizzatori, dove gli adatomi stabilizzati dalle molecole svolgono il ruolo di centri reattivi, alla formazione di architetture molecolari su superfici con funzionalità più ricche, formate dall’assemblaggio di molecole polari mediato da adatomi. Inoltre, la scoperta può contribuire a comprendere più a fondo le proprietà chimico-fisiche dell’interfaccia oro-dimetilsolfossido (la molecola utilizzata per questo studio), che è rilevante nel campo dell’elettrochimica e nella sintesi di nanoparticelle. 

Il lavoro ha richiesto una stretta collaborazione tra esperimenti e teoria. Dal punto di vista sperimentale, depositando sull’oro del dimetilsolfossido (DMSO), una semplice molecola polare composta da Carbonio, Idrogeno, Zolfo ed Ossigeno, si è rilevato che forma spontaneamente dei complessi costituiti da tre o quattro molecole. Combinando la microscopia a scansione a effetto tunnel, che permette di ottenere immagini della superficie e delle molecole con risoluzione atomica, con tecniche spettroscopiche basate sulla luce di sincrotrone, è stato possibile determinare la struttura fine di tali complessi, identificando la posizione e la geometria di ciascuna delle molecole coinvolte. Tale struttura risultava però difficilmente spiegabile dal punto di vista fisico-chimico: i DMSO apparivano infatti legarsi mutuamente tramite i loro atomi di ossigeno, che, avendo una carica nettamente negativa, dovrebbero invece respingersi. Simulazioni teoriche di tali strutture hanno confermato l’instabilità dei complessi osservati, prevedendone l’immediata trasformazione in altre strutture, mai osservate sperimentalmente.  Il dilemma si è risolto introducendo nella simulazione, al centro dei complessi, uno o due atomi d’oro, che risultano avere carica positiva e sono quindi in grado di schermare le terminazioni negative dei DMSO, rendendo stabili i complessi. Tali simulazioni, che riproducono esattamente le strutture osservate, prevedono altresì che gli atomi di oro “aggiunti”, per le loro proprietà elettroniche e la loro posizione, risultino essere effettivamente invisibili sperimentalmente. 

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