Un nuovo studio su Science
Sulla rivista scientifica Science è stato appena pubblicato uno studio condotto da un team internazionale di ricercatori di IBM, in collaborazione con altri scienziati della University of Oxford, della University of Manchester, di ETH Zurich, della EPFL e della University of Regensburg.
I ricercatori hanno studiato e costruito atomo per atomo una nuova molecola con topologia elettronica half-Möbius: una struttura elettronica non esistente in natura, ispirata al celebre nastro di Möbius. Si tratta di una ricerca che apre nuovi orizzonti nell’ambito dello studio della materia e delle sue caratteristiche.
La nuova molecola
La nuova molecola ha formula chimica C₁₃Cl₂: è composta da un anello di tredici atomi di carbonio a cui sono legati due atomi di cloro. Per sintetizzarla i ricercatori hanno utilizzato tecniche sviluppate recentemente nell’ambito delle nanotecnologie.
Hanno creato una molecola di partenza contenente più atomi di cloro rispetto a quelli del prodotto finale e li hanno manipolati su una superficie; in seguito ne hanno rimossi alcuni mediante degli impulsi di tensione calibrati con estrema precisione, in condizioni di ultra‑alto vuoto e temperature prossime allo zero assoluto.
Il risultato è stato una molecola dalla configurazione elettronica unica, osservata tramite la microscopia a effetto tunnel, la microscopia a forza atomica e delle simulazioni quantistiche.
Il legame con il nastro di Möbius
Come già detto, la nuova molecola presenta topologia elettronica half-Möbius: gli orbitali elettronici si avvolgono lungo l’anello costituito dai nuclei degli atomi con una configurazione elicoidale, che ricorda un nastro di Möbius.
Quest’ultimo consiste in una superficie geometrica a una sola faccia e un solo bordo, ottenuta torcendo di 180° l’estremità di una striscia e unendola all’altra. È un esempio di superficie non orientabile: percorrendola, si passa da un lato all’altro senza mai attraversare il bordo.
Tornando alla molecola, la sua torsione non è di 180° come nel classico nastro di Möbius, bensì di 90°; per questo gli scienziati parlano di una struttura “half-Möbius”, ovvero “mezzo Möbius”, mai osservata prima.
In questa configurazione, ogni volta che gli elettroni completano un ciclo la struttura ruota di 90°: dopo due giri completi avviene una mezza torsione (180°) e, quindi, per ritornare alla fase iniziale sono necessarie quattro rotazioni complete.
Il ruolo dei computer quantistici
Per capire come si comportano gli elettroni in questa nuova molecola, il team di ricercatori ha fatto uso dei computer quantistici, ovvero dispositivi avanzati che sfruttano la meccanica quantistica per svolgere calcoli esponenzialmente più veloci dei computer classici.
Difatti, in questa topologia elettronica half-Möbius ogni particella influenza simultaneamente tutte le altre e il numero di configurazioni possibili è estremamente elevato: per simulare un sistema così complesso la potenza computazionale dei sistemi tradizionali non era sufficiente.
Grazie ai computer quantistici, gli scienziati hanno effettuato numerose simulazioni dell’interazione tra gli elettroni di questa molecola e così sono riusciti a studiare gli orbitali elicoidali e a spiegare il meccanismo alla base della topologia half-Möbius.
Le possibili implicazioni future
“Abbiamo progettato una molecola teoricamente realizzabile, l’abbiamo costruita e poi ne abbiamo validato il comportamento utilizzando un computer quantistico”, ha commentato Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vicepresidente di IBM Europa e Africa, Direttore dell’IBM Research Lab di Zurigo. “È un passo importante verso la visione formulata decenni fa da Richard Feynman: creare un computer in grado di simulare la fisica quantistica. Questo risultato avvicina ulteriormente quel traguardo e apre nuove possibilità per esplorare la materia e i suoi fenomeni più complessi.”
Questa scoperta non rappresenta soltanto la creazione di una nuova molecola: mostra che è possibile progettare e controllare la topologia elettronica della materia.
Oggi, grazie alla combinazione di nanotecnologia sperimentale, chimica teorica avanzata e calcolo quantistico, i ricercatori stanno iniziando a esplorare una nuova frontiera: quella in cui non si studiano soltanto le molecole esistenti in natura, ma si progettano strutture del tutto originali.
In futuro, queste ultime potrebbero portare alla produzione di materiali con proprietà completamente nuove, ad esempio nell’ambito della conduzione elettronica, del magnetismo o della catalisi chimica.
La molecola C₁₃Cl₂ dimostra che la materia può assumere configurazioni molto più complesse di quelle descritte dalla chimica tradizionale. In altre parole, la chimica del XXI secolo non si limita più a scoprire molecole: può anche costruirle.
Da Sofia Di Santo classe IV C Liceo Scientifico