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Come si pesa un singolo atomo?

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I ricercatori europei hanno costruito un nuovo dispositivo che può fare proprio questo: pesare un unico atomo. Ma non solo, secondo gli scienziati, esso consentirebbe di studiare il progredire di una reazione chimica, molecola per molecola.

Tutto ciò è possibile grazie ai nanotubi di carbonio. Essi, il sogno di ogni nanotecnologo, sono realizzati con sottilissimi fogli di carbonio spessi un singolo atomo – noti come grafene – arrotolati su se stessi a formare un tubo lungo solo pochi nanometri. L’Interesse nato per i nanotubi di carbonio risale agli ‘ 90 quando si scoprirono le caratteristiche che li rendono così versatili, divenuti poi la come materia prima d’eccellenza per le nanotecnologie di tutti i tipi.

Come spiega il professor Pertti Hakonen dell’University of Technology di Helsinki, sono circa 1000 volte più forti dell’acciaio, ottimi conduttori termici e buoni conduttori elettrici. Il prof Hakonen è il coordinatore del progetto finanziato dall’Unione europea Cardeq che sfrutta questi interessanti materiali per costruire un dispositivo sufficientemente sensibile per misurare le masse di atomi e molecole.

Un nanotubo è essenzialmente un pezzo estremamente sottile, ma rigido, costituito da stringhe di carbonio, e come le stringhe può vibrare. Come sanno tutti quelli che suonano la chitarra, le stringhe pesanti vibravano in modo più leggero, così, se un nanotubo di carbonio sospeso è lasciato vibrare alla sua frequenza naturale, essa diminuirà se degli atomi o delle molecole sono collegati ad esso.

L’idea in realtà non è nuova. La novità è il sistema di rilevamento necessario per rilevare le vibrazioni e misurarne la sua frequenza. Alcuni nanotubi sono ottimi semiconduttori, ciò dipende dal modo in cui il foglio di grafene è avvolto, e sono proprio queste strutture che offrono la soluzione che ha sviluppato la Cardeq. Essa si basa sulla modulazione della corrente che attraversa il nanotubo durante il rilevamento.

La Cardeq ha già rilevato la massa di un unico atomo di cromo depositato su un nanotubo. Ma adesso anche gli atomi di argon potrebbero essere rilevati, anche se il dispositivo non è ancora abbastanza stabile per la sensibilità di routine. Quando il dispositivo sarà messo a punto, si potrà vedere un unico atomo di argon.

Ma misurare un unico atomo non è tutto ciò che si può fare. É possibile spingere la tecnologia fino a rilevare la massa di un unico nucleone: un protone o un neutrone. Può quindi diventare possibile osservare il decadimento radioattivo di un unico nucleo e studiare altri tipi di fenomeni di meccanica quantistica.

Ma l’eccitazione più grande sarebbe rilevare, nelle reazioni chimiche e biologiche, i singoli atomi e le molecole coinvolte che reagiscono lì, sul nanotubo vibrante. Ciò potrebbe avere applicazioni in biologia molecolare, consentendo agli scienziati di studiare i processi base della vita in dettaglio.

Il progetto CARDEQ ha ricevuto finanziamenti dall’Unione Europea nel programma per le ricerche ICT “FET-Open” Sixth Framework.

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