fisica molecolare
fìsica molecolare Settore della fisica che si occupa sia dello studio della configurazione spaziale, delle proprietà dinamiche delle molecole isolate e della determinazione dei parametri caratteristici di queste, sia delle interazioni tra molecole e della loro dinamica in sistemi densi.
Abstract di approfondimento da Fisica molecolare di Danilo De Rossi (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)
Fisica dei film molecolari
L’idea che la materia, che ai nostri sensi si manifesta come un continuum, sia invece costituita da innumerevoli particelle risale a tempi molto antichi, anche se in forma di congettura filosofica. Le molecole (forma diminutiva latina della parola massa) sono le particelle più piccole che mantengono le proprietà chimiche fondamentali della sostanza che costituiscono. La scienza ha dimostrato da molto tempo come queste particelle che costituiscono una particolare sostanza interagiscano continuamente fra di loro, attraverso forze di attrazione e repulsione. Le forze intermolecolari e la continua agitazione termica con conseguente moto caotico governano gli stati di aggregazione della materia. Lo studio della fisica molecolare costituisce dunque un capitolo basilare della fisica della materia. Negli ultimi decenni l’interesse per i sistemi molecolari e sopramolecolari in forma condensata è enormemente cresciuto, dando vita a un considerevole numero di studi di carattere sia teorico sia applicativo. In particolare, film molecolari di natura inorganica, organica e biologica sono oggetto di un’enorme mole di ricerche, che abbracciano diversi aspetti della chimico-fisica e delle tecnologie dei film molecolari.
I materiali costituenti film molecolari possono essere di diverso tipo, anche se l’interesse attuale si rivolge maggiormente a sistemi organici e biologici, e le tecniche utilizzate dalla natura o dall’uomo per la loro formazione sono assai diversificate. Il quadro degli studi di carattere teorico e di quelli condotti con intenti applicativi è molto vasto: in forma sintetica va dalle ricerche sulla struttura e sulle proprietà delle bolle di sapone e del doppio strato lipidico della membrana cellulare, alle indagini su film molecolari organizzati quali elementi primordiali all’origine della vita, sino ai recenti sviluppi tecnici dell’elettronica molecolare e alle realizzazioni, in prospettiva, di elaboratori organici e biologici. La ricerca relativa ai film e ai sistemi a scala molecolare fa convergere discipline scientifiche diverse (fisica, chimica, biologia e ingegneria) ed è all’origine di molteplici applicazioni. In anni recenti la scienza dei sistemi nanometrici e le nanotecnologie hanno avuto uno sviluppo enorme, valicando i confini delle singole discipline in uno sforzo congiunto destinato a rivoluzionare molti settori tecnologici nel prossimo futuro. Quanto delle aspettative e risorse investite si realizzerà effettivamente è da vedersi, ma è indubbio che il campo dei sistemi organizzati molecolari e sopramolecolari di origine artificiale costituisce uno dei settori fondamentali di sviluppo conoscitivo scientifico e tecnologico.
Le ricerche attuali sono essenzialmente volte agli sviluppi dell’elettronica molecolare, il cui risultato più significativo ottenuto sinora riguarda i dispositivi di visualizzazione mediante i cristalli liquidi. L’ambizione per il futuro è la realizzazione di applicazioni costituite da singole molecole o singoli complessi molecolari. Potenzialmente il campo è molto ampio perché include le celle solari, le memorie ottiche, i sistemi olografici e altri. Di questi dispositivi esistono già modelli prototipali che rivelano interessanti prospettive applicative.
Applicazioni
Gli attuali studi e le realizzazioni che fanno uso di film molecolari si inquadrano prevalentemente negli sviluppi della cosiddetta elettronica molecolare. Dal punto di vista applicativo, il risultato più rilevante in questo settore è costituito dai dispositivi di visualizzazione a cristalli liquidi, caratterizzati oggi da elevate prestazioni e larghissimo uso. L’elettronica molecolare si rivolge allo studio di materiali di natura molecolare per applicazioni elettroniche ed elettroottiche, e allo studio della cosiddetta elettronica molecolare che riguarda dispositivi costituiti da singole molecole o da singoli complessi molecolari. L’utilizzazione di strutture sopramolecolari in forma di film ordinati si colloca a cavallo fra le due linee e, sebbene da almeno due decenni sia in atto un’intensa attività rivolta allo studio di possibili applicazioni dei film molecolari, l’uso di questi sistemi al di fuori dei laboratori è oggi limitato. I maggiori problemi che limitano lo sviluppo di una vera tecnologia di questi film sono la resistenza ambientale e la stabilità termica ridotte, le proprietà meccaniche inadeguate, le grandi difficoltà nel preparare film esenti da difetti e da micropori (pin-holes), la limitata riproducibilità in fase di preparazione.
Nonostante questi problemi, che sono peraltro assiduamente studiati, le applicazioni prospettate sono assai varie. I campi principali di studio a fini applicativi sono relativi a: (a) film molecolari dotati di proprietà ottiche non lineari per il trattamento ottico delle informazioni; (b) film interfacciali per lo sviluppo di sensori e biosensori; (c) dispositivi e sistemi fotoelettrici; (d) resist per microlitografia nel campo dell’elettronica integrata; (e) dispositivi cromatici comandabili (per via elettrica, termica, luminosa) nell’ambito dei sistemi di visualizzazione dell’informazione (display); (f) film molecolari ferroelettrici; (g) film organici ferromagnetici; (h) film molecolari semiconduttori, conduttori e superconduttori. Il ricorso a film molecolari per la costruzione di dispositivi è motivato essenzialmente dalla prospettiva di realizzare architetture molecolari opportunamente strutturate e organizzate, capaci di svolgere funzioni specifiche e coordinate, soprattutto nei campi della trasduzione e del trattamento del segnale e della conversione di energia.
Un esempio importante per chiarire le potenzialità delle tecnologie legate all’uso di film molecolari è il sistema basato sull’utilizzazione della proteina fotosintetica batteriorodopsina (BR). Tale proteina rappresenta la chiave del processo fotosintetico degli alobatteri, ottenuta dalla membrana purpurea dell’Halobacterium salinarium (HS) e opportunamente mutata per via genetica. La membrana è formata da lipidi e trimeri di BR che, attivata per via luminosa, permette di pompare protoni. Uno schema grafico funzionale dell’attività fotosintetica della membrana dell’HS è riportato nella fig. I diversi processi fotoelettrici legati all’assorbimento di fotoni da parte della BR, che costituiscono i presupposti del suo impiego tecnologico, sono schematizzati nella fig. Invece della forma non mutante (wild type) di BR, si usano forme mutanti, in quanto alcune di esse, opportunamente selezionate, possiedono proprietà fotoelettriche assai migliori. Film molecolari di BR mutante racchiusi in strati lipidici, ottenuti per frammentazione della membrana cellulare batterica, sono utilizzati oggi per la realizzazione di diversi dispositivi elettroottici a base molecolare, dalle prospettive rivoluzionarie. Celle solari, memorie ottiche, dispositivi fotocromici e fotoelettronici, sistemi olografici e di correlazione ottica sono già stati realizzati in forma di prototipi e appaiono di grande interesse applicativo. A parità di volume, memorie ottiche tridimensionali basate su BR sono capaci di immagazzinare dati in quantità trecento volte superiore rispetto ai correnti dispositivi a stato solido, incentrati sulle tecnologie del silicio.