La maquinaria a nanoescala tiene muchos usos, incluida la administración de fármacos, la tecnología de transistores de un solo átomo o el almacenamiento de memoria. Sin embargo, la maquinaria debe ensamblarse a nanoescala, lo cual es un desafío considerable para los investigadores.

Para los ingenieros en nanotecnología, el objetivo final es poder ensamblar maquinaria funcional parte por parte a nanoescala. En el mundo macroscópico, simplemente podemos agarrar elementos para ensamblarlos. Ya no es imposible "agarrar" moléculas individuales, pero su naturaleza cuántica hace que su respuesta a la manipulación sea impredecible, lo que limita la capacidad de ensamblar moléculas una por una. Esta perspectiva está ahora un paso más cerca de la realidad, gracias a un esfuerzo internacional liderado por el Centro de Investigación Jülich de la sociedad Helmholtz en Alemania, que incluye investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Warwick.

En el artículo, "El potencial de estabilización de una molécula en pie", publicado hoy, 10 de noviembre de 2021 en la revista Science Advances , un equipo internacional de investigadores ha podido revelar el mecanismo genérico de estabilización de una sola molécula en pie, que se puede utilizar en el diseño racional y la construcción de dispositivos moleculares tridimensionales en superficies.

El microscopio de sonda de barrido (SPM) ha acercado la visión de la fabricación a escala molecular a la realidad, porque ofrece la capacidad de reorganizar átomos y moléculas en las superficies, lo que permite la creación de estructuras metaestables que no se forman espontáneamente. Usando SPM, el Dr. Christian Wagner y su equipo pudieron interactuar con una sola molécula en pie, dianhídrido tetracarboxílico de perileno (PTCDA) en una superficie para estudiar la estabilidad térmica y la temperatura a la que la molécula dejaría de ser estable y retrocedería. en su estado natural donde se adsorbe plano en la superficie. Esta temperatura se sitúa en -259,15 Celsius, solo 14 grados por encima del punto de temperatura cero absoluta.

Los cálculos químicos cuánticos realizados en colaboración con el Dr. Reinhard Maurer del Departamento de Química de la Universidad de Warwick pudieron revelar que la estabilidad sutil de la molécula proviene de la competencia de dos fuertes fuerzas cuánticas que se contrarrestan, a saber, la atracción de largo alcance de la superficie y la fuerza restauradora de corto alcance que surge del punto de anclaje entre la molécula y la superficie.

El Dr. Reinhard Maurer del Departamento de Química de la Universidad de Warwick comenta:"El equilibrio de las interacciones que evita que la molécula se caiga es muy sutil y un verdadero desafío para nuestros métodos de simulación de química cuántica. Además de enseñarnos sobre los fundamentos mecanismos que estabilizan nanoestructuras tan inusuales, el proyecto también nos ayudó a evaluar y mejorar las capacidades de nuestros métodos".

El Dr. Christian Wagner del Instituto Peter Grünberg para la Nanociencia Cuántica (PGI-3) en el Centro de Investigación Jülich comenta:"Para hacer un uso tecnológico de las fascinantes propiedades cuánticas de las moléculas individuales, debemos encontrar el equilibrio adecuado:deben inmovilizarse en una superficie, pero sin fijarlas con demasiada fuerza, de lo contrario perderían estas propiedades. Las moléculas en pie son ideales en ese sentido. Para medir qué tan estables son en realidad, tuvimos que ponerlas en pie una y otra vez con una aguja de metal afilada y el tiempo cuánto tiempo sobrevivieron a diferentes temperaturas".

Ahora que se conocen las interacciones que dan lugar a una molécula estable, la investigación futura puede trabajar para diseñar mejores moléculas y enlaces molécula-superficie para ajustar esas interacciones cuánticas. Esto puede ayudar a aumentar la estabilidad y la temperatura a la que las moléculas se pueden cambiar en matrices permanentes hacia condiciones viables. Esto plantea la perspectiva de la nanofabricación de maquinaria a nanoescala. + Explora más

Visualización de estados cuánticos de diseño en corrales cuánticos de macrociclos estables