Una singola molecola crea un sensore sensibile di pressione e forza – Physics World

Ricercatori australiani hanno rilevato e controllato i cambiamenti nella forma di una singola molecola in risposta a una forza meccanica applicata. L’impresa potrebbe consentire lo sviluppo di sensori di pressione e accelerometri impiantabili miniaturizzati per l’industria elettronica.

La molecola in questione, il bullavene, è un idrocarburo con formula chimica C₁₀H₁₀. È importante sottolineare che è piezoresistivo, il che significa che la sua resistenza elettrica cambia in risposta alla sollecitazione meccanica. Nel caso di bullavene, questo ceppo si verifica quando la molecola cambia tra le sue diverse forme possibili, o isomeri, alterando la connettività tra i suoi atomi e producendo una variazione misurabile nella sua resistenza elettrica.

I ricercatori hanno scelto di esplorare il comportamento piezoresistivo nel bullavene perché subisce cambiamenti di forma insolitamente grandi dovuti a processi noti come isomerismo costituzionale e conformazionale. "Il primo comporta la riorganizzazione delle topologie di legame, mentre il secondo prevede che le molecole semplicemente" si muovano qua e là "," spiega Jeffrey Reimers, un chimico presso il Università della Tecnologia di Sydney con cui abbiamo condotto lo studio Nadim Darwish of Curtin University, Daniele Kosov of James Cook University ed Tommaso Fallon della Università di Newcastle.

Per misurare la resistenza mutevole del bullavene, il team ha utilizzato attacchi chimici chiamati diarili per legare la molecola ai contatti d’oro distanti da 7 a 15 angstrom. Quando questi contatti d'oro si muovono, la molecola rimane legata ad essi, ma la tensione meccanica che subisce le fa formare un nuovo isomero con una forma diversa. Questo cambiamento di forma modifica il flusso di elettricità attraverso la molecola e i ricercatori sono stati in grado di misurare questi cambiamenti utilizzando la microscopia a effetto tunnel.

Sensori miniaturizzati e scale temporali millisecondo

I piezoresistori sono già ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui rilevatori di vibrazioni nei dispositivi elettronici, contapassi negli smartphone, trigger per airbag per auto e sensori medici impiantabili. Poiché le molecole di bullavene sono così piccole, potrebbero essere utilizzate per creare versioni miniaturizzate di questi dispositivi convenzionali. Un sensore basato sul bullavene potrebbe anche rilevare la presenza di altre sostanze chimiche o biomolecole come proteine ​​o enzimi, qualcosa che potrebbe essere importante per rilevare le malattie, afferma Darwish.

I sensori di pressione indossabili ampliano la loro portata

I ricercatori, che dettagliano il loro lavoro in Nature Communications, affermano di poter prevedere la creazione di dispositivi piccoli da 3 a 100 nm² che rilevano forze e pressioni esterne semplicemente misurando le variazioni di resistenza. Un'altra caratteristica utile, aggiunge Kosov, è che i piezoresistori possono essere fatti oscillare a 800 Hz, il che significa che potrebbero essere utilizzati per monitorare processi che si verificano su scale temporali di millisecondi.

Le fasi successive del lavoro del team riguarderanno il trasferimento della tecnologia da un costoso esperimento di microscopia a una piattaforma di rilevamento economica. “Ciò richiederà di sviluppare sensori di nanoelettrodi i cui elementi attivi sono le nostre molecole che cambiano forma”, dice Darwish Mondo della fisica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/single-molecule-makes-a-sensitive-pressure-and-force-sensor/