NANOELETTRONICA/ Con la chimica supramolecolare verso la frontiera dei microchip

Intervista al professor PIERANGELO METRANGOLO, impegnato al convegno di Chimica supramolecolare. Ecco cosa è l’auto assemblaggio molecolare? Quali prospettive apre per la scienza?

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Schema di una nanostruttura polimerica auto-assemblata con allineamento millimetrico; limmagine è ripresa al microscopio elettronico

Al convegno internazionale di Chimica supramolecolare, in corso in questi giorni a Shanghai, c’è anche un professore del Dipartimento di Chimica del Politecnico di Milano: è Metrangolo, che presenterà i risultati di una ricerca condotta all’ateneo milanese insieme ai colleghi Giuseppe Resnati e a Valentina Dichiarante e in collaborazione con la Aalto University di Helsinki e il VTT Technical Research Centre of Finland. Lo studio, appena pubblicato su Nature Communications,ha dimostrato che è possibile far sì che le molecole delle “maschere” degli elementi conduttori dei microchip si dispongano spontaneamente, senza stimoli esterni, con un ordine determinato dai ricercatori e che permane su sei ordini di grandezza, cioè dai nanometri ai millimetri. Finora l’auto-assemblaggio molecolare su una larga superficie risultava difficilmente controllabile; è spesso utilizzato per la modellazione di dispositivi funzionali, fili molecolari, elementi di memoria, ma richiede passaggi di lavorazione aggiuntivi per ottenere un adeguato allineamento delle strutture. Ora la situazione può cambiare.

Abbiamo raggiunto il professor Metrangolo durante un intervallo del convegno, per farci spiegare questa ricerca e la sua importanza. 

In cosa consiste questo auto assemblaggio molecolare?

Noi chimici dobbiamo manipolare le molecole, che sono molto piccole, ovviamente invisibili per noi; ma possiamo progettarle affinché abbiano degli specifici sistemi di riconoscimento reciproco e poi lasciare che facciano quello che le leggi della termodinamica consentono loro di fare. Quindi noi progettiamo le molecole, dopo di che le molecole interagiscono tra loro, decidendo di stare insieme oppure di separarsi: a tali fini si auto assemblano, sempre nel rispetto di quelle leggi, per formare delle configurazioni che sono di fatto codificate nella loro struttura molecolare. 

La chiave di questi nuovi risultati si basa su una scoperta effettuata già da tempo dal suo gruppo di ricerca: il cosiddetto legame ad alogeno. Di cosa si tratta?

Il legame ad alogeno è una nuova interazione intermolecolare. Per darle un’idea, posso dire che è uno dei meccanismi con cui i nostri ormoni tiroidei sono legati alla tiroide; ed è anche il motivo per cui alcuni inquinanti alogenati – che si possono trovare in diverse contesti: nelle acque, in molti componenti di arredamenti, nei circuiti elettronici – una volta rilasciati nell’ambiente possono diventare molto pericolosi per chi è soggetto alla loro esposizione perché sviluppano dei meccanismi simili a quelli dell’attività tiroidea e quindi alterano il sistema tiroideo. Ebbene, dopo la scoperta, negli anni abbiamo caratterizzato questa interazione ed ora possiamo utilizzarla per progettare nuovi materiali. Tra l’altro, lo scorso anno abbiamo concluso un progetto per conto della IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), l’organismo internazionale che si occupa della nomenclatura delle sostanze chimiche, che ha chiesto proprio a noi di lavorare a una definizione di cosa si deve intendere per legame ad alogeno. 

Come siete arrivati alla ingegnerizzazione del nuovo sistema?

Nel sistema che sto per presentare qui a Shanghai, ci sono una grossa macromolecola, un polimero, e una piccola molecola che è un composto fluorurato: ora le due molecole non avrebbe nessuna affinità reciproca, a meno che non si ingegnerizzino entrambe mettendo da una parte un donatore di legame ad alogeno e dall’altra un accettore di tale legame. Questo è un elemento che le porta a riconoscersi l’un l’altra; per cui, pur volendo restare separate noi le costringiamo ad interagire. Poi però, nell’auto assemblaggio le due molecole si ricordano di non voler stare insieme e danno origine a una segregazione di fase che le porta ad auto assemblarsi fino alla scala dei millimetri.

Nella vostra ricerca quindi si uniscono due ambiti scientifici tra i più avanzati: la chimica supramolecolare e la nano elettronica ….

Sì. La chimica supramolecolare  è la chimica che guarda oltre la molecola e si interessa delle interazioni intermolecolari. Ha raggiunto la sua notorietà negli anni ‘80 del secolo scorso, con la vittoria del premio Nobel per la chimica da parte di Jean-Marie Lehn, che parlava di una “sociologia molecolare” riferendosi alle dinamiche delle molecole e ai loro comportamenti “sociali”. Noi abbiamo utilizzato la tecnica e i concetti della chimica supramolecolare per far assemblare il nostro sistema riuscendo, con un approccio molto semplice di tipo bottom up, a prendere una superficie molto vasta, anche dell’ordine dei centimetri, e far sì che si organizzi in una struttura lamellare dove le lamelle di una molecola distano da quelle dell’altra di circa 10 nanometri: ne risulta una struttura a bande bianche e nere di dimensioni nanometriche. 

 

A quali applicazioni avete pensato?

Possiamo utilizzare il materiale, così come l’ho appena descritto, come maschera (template) per depositare degli elementi conduttori, ad esempio, solo sopra la banda nera lasciando quella bianca libera; si verrà quindi a formare una nano struttura conduttrice alla scala dei 10 nanometri, che è la prossima frontiera della nanoelettronica, alla quale non si è ancora arrivati.

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