La valenza che conduce

Un importante tassello si è aggiunto al mosaico di ricerche mirate a congiungere il nostro mondo macroscopico e l’universo atomico. La scoperta riguarda le proprietà chimiche di un atomo e ilsuo modo di opporsi alla trasmissione di corrente elettrica. Se da una parte c’è la capacità di alcuni materiali di condurre corrente, una proprietà macroscopica dei conduttori, dall’altra si trovano le caratteristiche di atomi e molecole a livello microscopico. Tra i due mondi non è facile stabilire un dialogo, ma oggi, grazie a potenti microscopi, è possibile mettere in relazione micro e macro. E’ quello che ha fatto un gruppo di fisici europei, coordinati da Elke Scheer dell’Università Karlsruhe in Germania. Assieme ai colleghi francesi, spagnoli e olandesi, lo scienziato ha elaborato modelli, esperimenti e calcoli teorici, per studiare il ruolo e le proprietà dei singoli atomi nella trasmissione della corrente elettrica.

La ricerca, che Scheer e gli altri hanno descritto sulle pagine di Nature ha mostrato che la capacità di un materiale di condurre l’elettricità, ovvero la sua conduttanza, dipende da un altro importante parametro: la valenza degli atomi, cioè la loro disponibilità a legarsi tra loro per formare le molecole. Si tratta di un risultato solo in apparenza molto tecnico, ma che in realtà ha notevoli implicazioni, non solo legate alla fisica.

Per esempio nel campo delle nano-tecnologie dove le lunghezze si misurano in nano-metri (milionesimi di millimetro) e si costruiscono congegni elettronici sempre più piccoli. Grazie ai progressi nella nano-fabbricazione, si è arrivati negli ultimi tempi a creare amplificatori formati da una singola molecola, o transistor delle dimensioni atomiche, chiamati nanotubi. Questi oggetti, solidi come l’acciaio, sono polimeri a forma di tubo costituiti unicamente di carbonio e si apprestano a sostituire il silicio, elemento base per le componenti elettroniche.

Il futuro dell’elettronica molecolare si basa su queste tecnologie, e dipende ancora dalla risposta a una serie di domande che riguardano la fisica. Ci si chiede, per esempio, quali possono essere gli atomi o le molecole facilmente integrabili con il mondo macroscopico, e abbastanza “robuste” da sostenere milioni di operazioni al secondo. E’ necessario inventare tecnologie adatte a manovrare questi oggetti. Ma soprattutto è importante capire a fondo come avviene il trasporto elettronico nei congegni molecolari e quali caratteristiche, legate ad atomi o molecole presi individualmente, determinano le proprietà della conduzione elettrica. Può capitare che attraverso un contatto tra singoli atomi passi una quantità elevatissima di corrente, decisamente improbabile su scala macroscopica. E queste proprietà devono essere investigate.

Una risposta ad alcune domande viene proprio dagli esperimenti di Scheer e del suo gruppo. Gli scienziati, con particolari giunzioni controllabili meccanicamente, hanno potuto studiare il meccanismo di passaggio della corrente tra due singoli atomi. Misurando le proprietà elettriche in funzione della distanza, hanno scoperto che la conduzione è tanto maggiore quanto più alto è il numero degli elettroni di valenza degli atomi, cioè di quegli elettroni più esterni che permettono la formazione dei legami chimici. La corrente “attraversa” i cosiddetti canali di conduttanza, che sono esattamente pari agli elettroni di valenza. E’ questa la relazione precisa tra un parametro del mondo macroscopico, la conducibilità elettrica appunto, e uno tipico di quello microscopico, come la valenza.

Protagonista del lavoro è il microscopio a effetto tunnel, un apparecchio che ha rivoluzionato la ricerca in questo campo già dal 1981, quando fu inventato da Heinrich Rohrer e Gerd Karl Binnig, che cinque anni dopo ricevettero il premio Nobel. Più potente degli apparecchi ottici, che arrivavano al massimo a distinguere oggetti 2000 volte più grandi di un atomo, e anche del microscopio elettronico, questo strumento, chiamato Scanning Tunneling Microscope (Stm), ha permesso per la prima volta di guardare il singolo atomo sulla superficie di un materiale e di manipolarlo a piacimento. La sua punta è costituita da un atomo che mette in movimento le molecole in esame grazie a una placca conduttrice. L’apparecchio è molto potente, ma è ancora molto lento e delicato. Comunque, nel caso del lavoro di Scheer, ha permesso di fabbricare i contatti tra singoli atomi.

Oltre a costituire la prima verifica sperimentale della relazione tra le proprietà elettroniche di un singolo atomo e la resistenza elettrica nei conduttori macroscopici, le tecniche messe a punto e utilizzate per questi esperimenti hanno applicazioni in altri campi oltre l’elettronica. Le nano-tecnologie sembrano infatti essere il futuro per la sintesi chimica, per le biotecnologie, per la medicina molecolare. Un futuro ancora tutto da esplorare al microscopio.