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FISICA/ Scoperta la bilancia degli atomi, l’ennesimo "miracolo" dei nanotubi

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È possibile pesare un singolo atomo? I ricercatori che operano all’interno del programma europeo Cardeq (CARbon nanotube DEvices at the Quantum limit) rispondono affermativamente e per dimostrarlo, hanno realizzato un dispositivo speciale che permette di raggiungere l’ambizioso obiettivo.

Il segreto sta nei nano tubi di carbonio che sono una delle più gettonate meraviglie di quel mondo delle nanotecnologie che sforna risultati innovativi a ritmo quasi giornaliero. Si tratta di fibre ultrasottili che costituiscono fogli di carbonio dello spessore di un atomo (che ormai stiamo imparando a chiamare col loro strano nome di grafene) arrotolati a formare un tubo del diametro di pochi nanometri, cioè miliardesimi di metro: in pratica sono dei fili il più grande dei quali è mille volte più sottile di un capello.

L’interesse per i nano tubi è esploso nell’ultima decade del secolo scorso, quando si è capito che potevano diventare una componente base per una varietà di applicazioni nelle nascenti nanotecnologie. Come ha osservato Pertti Hakonen dell’università tecnologica di Helsinki e coordinatore di Cardeq, «hanno proprietà uniche: come quella di essere mille volte più resistenti dell’acciaio, di avere una buona conducibilità termica e di essere buoni conduttori elettrici».

Un nanotubo di carbonio è come un filo sottile, ma robusto e, come tutti i fili, può vibrare. Come sa chi ha provato a suonare uno strumento a corde, le corde pesanti vibrano più lentamente di quelle leggere. Ora, quando un nano tubo di carbonio viene sospeso ed è messo in condizioni di vibrare alla sua frequenza naturale, quella frequenza si ridurrà se al filo verranno attaccati atomi o molecole che lo appesantiscono. Sembra facile; e bisogna dire che non è neppure un’idea originale.

Ciò che è nuovo nelle ricerche di Cardeq, è il delicato sistema di sensori necessario per rivelare la vibrazione e misurare la frequenza. I ricercatori del consorzio europeo hanno infatti sfruttato una proprietà di alcuni nano tubi che si trasformano in semiconduttori in base alla quantità di grafene che viene arrotolato per formare il tubo. Ecco allora la soluzione che si cercava: costruire un nano tubo semiconduttore all’interno di un transistor in modo tale che la vibrazione possa modulare la corrente che lo attraversa; in pratica il nanotubo sospeso funge sia da elemento vibrante che da componente di lettura del transistor. 

Che il sistema funzioni è già stato provato da alcuni gruppi del consorzio, il quale comprende, oltre ai finlandesi, nanoscienziati del Niels Bohr Institute di Copenhagen, dell’Ecole Normale Supérieure di Parigi, della Accademia delle Scienze Polacca, dell’università autonoma di Barcellona e dell’università di Regensburg. Nel novembre scorso, durante una riunione del Cardeq, sono stati riportati i risultati delle misura della massa di singoli atomi di Cromo depositati su un nanotubo; ma Hakonen è convinto che, quando il sistema di misura sarà più stabile, si potranno rivelare anche atomi di elementi più leggeri. E il coordinatore del consorzio si spinge ancor più in là, arrivando a ipotizzare, con apparecchiature più perfezionate, la misura di singoli protoni e neutroni.

Per il momento comunque tutti i gruppi sono al lavoro per ottenere misure accurate di molecole e atomi. E non c’è solo il Cardeq: al di là dell’Atlantico, in due centri californiani a Berkeley e al Caltech, altri fisici stanno sviluppando la stessa idea di usare nano tubi di carbonio come sensori di massa, anche se i progetti seguono diverse metodologie realizzative.

Molti possono essere i vantaggi pratici di strumenti del genere ma sono particolarmente evidenti in chimica e in biologia molecolare: sarà possibile seguire le reazioni chimiche da vicino, molecola per molecola; studiare l’evolversi dei processi biochimici; monitorare le trasformazioni di proteine, amminoacidi e varie biomolecole; tutto con un grado di dettaglio prima d’ora impensabile.



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