Molecole con l'esigenza della velocità - La più piccola gara automobilistica del mondo avviene in vuoto

Molecole con l'esigenza della velocità - La più piccola gara automobilistica del mondo avviene in vuoto

Le nanocar sono minuscole dato che sono costituite da una sola molecola. Qualche settimana fa, questo tipo di "auto da corsa" ha partecipato a una gara automobilistica a Tolosa, in Francia, in condizioni estreme: in un vuoto ultra-elevato e a temperature prossime allo zero assoluto.
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Questa gara non è caratterizzata da motori rombanti e manovre rischiose di sorpasso. Inoltre, la velocità non è esattamente frenetica, dato che è misurata in nanometri e non in chilometri all'ora. Tuttavia, la competizione tra questi minuscoli partecipanti è emozionante in modo unico, in quanto coinvolge il controllo di molecole, atomi e particelle subatomiche singoli.

Una corsa libera grazie al vuoto

La pista da corsa in questione è lunga centinaia di nanometri e in oro puro. Inoltre, la gara si svolge a temperature estremamente gelide. Per riuscire a indirizzare i concorrenti lungo la pista, il movimento stesso delle molecole deve essere ridotto al minimo, quindi la posizione viene raffreddata a meno di 269 °C usando azoto liquido ed elio. Quasi niente si muove da solo quando la temperatura è così vicina allo zero assoluto.

Per consentire una corsa libera, la pista non deve presentare alcun atomo estraneo. Anche la più piccola contaminazione, come una molecola di ossigeno atmosferico, potrebbe far depistare una nanocar. Per mantenere queste condizioni, la gara si svolge in un vuoto ultra-elevato. Tramite pompe per vuoto Getter a ioni e turbo, la temperatura viene ridotta a 10-11 mbar. 

Atomi come indicatori di rotta

Prima della gara la pista d'oro viene pulita: la sua superficie viene bombardata con ioni e poi riscaldata, al fine di garantire una pista piatta. Quindi, i nano-scienziati aggiungono singoli atomi d'oro per segnare il percorso dei veicoli lungo questa pista. 

La prossima sfida è posizionare le vetture molecolari sulla pista, senza distruggerle nel processo. Per riuscirci, vengono riscaldate in una camera di trattamento fino a evaporare. Il candidato giusto per la gara viene poi selezionato dalle molecole che successivamente si stabiliscono sulla superficie della pista d'oro. 

Rilevamento tramite flusso a effetto tunnel

I minuscoli concorrenti, ciascuno di dimensioni pari a circa un centomillesimo del diametro di un capello umano, non possono essere rilevati tramite i microscopi ottici poiché la lunghezza d'onda della luce è troppo grande. Per questo motivo,i team di ricercatori seguono la gara utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel. In questo strumento, una sonda conduttiva elettricamente, la cui punta è costituita da un solo atomo, viene spostata sulla superficie della pista seguendo una forma a griglia, a intervalli di pochi nanometri. 

Sebbene la punta della sonda e l'oggetto della ricerca non entrino mai in contatto, in conformità alle regole della meccanica quantistica, quando viene applicata bassa tensione si crea un flusso a effetto tunnel. Il volume di questo flusso dipende molto dalla distanza tra l'oggetto e la sonda. Durante la scansione del foglio d'oro, la punta viene controllata in modo preciso affinché il volume della distanza e del flusso rimanga sempre costante. Questo consente agli scienziati di creare un profilo di altezza per la pista, con una rappresentazione topografica delle nanocar. 

Otto ore al traguardo

Infatti, i ricercatori non utilizzano la sonda solo per rendere visibili le loro auto da corsa, ma anche per controllarne il movimento. Utilizzano anche il flusso a effetto tunnel. A Tolosa, è stato utilizzato questo metodo per portare alcuni veicoli molecolari a un livello energetico superiore attraverso l'aggiunta di un elettrone. I veicoli hanno rilasciato immediatamente questa energia e l'hanno convertita in movimento. Altri team partecipanti alla gara hanno utilizzato la repulsione elettrostatica degli elettrodi per ottenere spostamenti in avanti.

Un altro metodo possibile sarebbe stato guidare meccanicamente i veicoli a destinazione utilizzando la punta della sonda, ma durante la gara questa opzione è stata consentita solo in caso di emergenza grave. Il team svizzero, il vincitore, non è dovuto ricorrere a questo tipo di manipolazione. La loro Swiss Nano Dragster ha raggiunto la velocità di circa dodici nanometri all'ora, possibilmente velocità da record, ed è stata la più veloce a tagliare il traguardo d'oro dopo circa otto ore. Proprio come le gare su larga scala, il successo è stato celebrato con una doccia di champagne.

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Agli scienziati è stato permesso di utilizzare solo un centinaio di atomi per la costruzione delle loro auto in miniatura. Tuttavia, non esistevano specifiche rigorose relative alla loro composizione o al loro aspetto esterno.

Il principio di un veicolo su cuscino d'aria vincente

I corpi dei veicoli proposti dai sei diversi team di ricercatori erano senza dubbio vari: le nanocar dalla Francia, dagli Stati Uniti e da una collaborazione americano-austriaca erano infatti simili ai concorrenti a quattro ruote usuali, mentre il veicolo dal Giappone ricordava un osso e quello dalla Germania una struttura simile a un mulino a vento. Il design vincente dell'Università di Basilea seguiva il principio di un veicolo su cuscino d'aria. La molecola piatta era composta da quattro anelli di carbonio disposti a forma Y. Il motore della struttura era formato da tre atomi di carbonio, mentre un gruppo metilico veniva utilizzato come spoiler anteriore. Tuttavia, i nano-scienziati di Basilea non hanno sviluppato la molecola specificamente per partecipare alla corsa di auto in miniatura: nella ricerca quotidiana condotta dal team svizzero, la Swiss Nano Dragster funge da componente delle celle solari organiche.


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