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Molecole chirali isolate come filtri di spin: un nuovo strumento per le tecnologie quantistiche

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Pubblicata su “Science” la prima evidenza del fenomeno in uno studio dell’Università di Parma e della Northwestern University

Parma, 13 ottobre 2023 – Che cosa distingue la destra dalla sinistra? Oltre alle mani, molte molecole che formano il nostro organismo (amminoacidi, zuccheri, DNA) sono “chirali”: hanno cioè la stessa struttura, ma sono l’una l’immagine speculare dell’altra. Alcune di esse si avvolgono ad esempio a formare un’elica destrorsa o sinistrorsa. Oltre a prendere parte a complessi processi biologici in cui la chiralità può giocare un ruolo chiave, queste molecole organiche potrebbero avere un enorme impatto tecnologico. Recentemente infatti è stato proposto il loro utilizzo per la costruzione di super-calcolatori (computer quantistici) in grado di operare a temperature relativamente elevate, evitando l’enorme dispendio energetico attualmente richiesto per raffreddare questi dispositivi a temperature prossime allo zero assoluto. 

Alla base di questa tecnologia potenzialmente rivoluzionaria sta la capacità delle molecole chirali di filtrare lo spin degli elettroni che le attraversano. Questo fenomeno di filtro (Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS) è stato “visto” per la prima volta su molecole chirali isolate in uno studio congiunto (Direct Observation of Chirality-Induced Spin Selectivity in Electron Donor-Acceptor Molecules) condotto dall’Università di Parma (con i docenti del Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche Stefano Carretta Alessandro Chiesa ) e dalla Northwestern University (con il docente Michael Wasielewski e i suoi collaboratori) e appena pubblicato sulla rivista “Science”.

Misure di risonanza paramagnetica elettronica risolte in tempo, combinate con un accurato modello teorico, hanno permesso di evidenziare una firma inequivocabile del CISS in molecole chirali, completamente assente nell’analogo non chirale. Un risultato di notevole rilievo, che delinea scenari potenzialmente molto interessanti proprio in ambito tecnologico.

Il lavoro si inserisce nell’ambito del progetto ERC-Synergy CASTLE, i cui principal investigators sono Stefano Carretta (Università di Parma), Michael Wasielewski (Northwestern University), Roberta Sessoli (Università di Firenze) e Robert Bittl (Freie Universitat di Berlino), e si colloca nelle attività di magnetismo molecolare iniziate a Parma oltre 25 anni fa da Giuseppe Amoretti, docente di Fisica.

Questa prima osservazione del CISS su molecole isolate (non appoggiate su alcun substrato o interfaccia) apre la strada al suo utilizzo nella realizzazione di computer quantistici. Come recentemente proposto all’interno dello stesso progetto, il fenomeno permetterebbe infatti di leggere e scrivere lo stato di singoli spin ad alta temperatura, una delle sfide più importanti per la realizzazione di questi dispositivi.

CISS: Chirality-Induced Spin Selectivity
Il CISS riguarda il passaggio di elettroni attraverso molecole chirali. Questi elettroni trasportano carica elettrica a una sorta di piccola calamita, chiamata spin. Ed esattamente come una vite destrorsa si infila soltanto nella propria filettatura, una molecola chirale filtra lo spin degli elettroni che la attraversano, selezionando le calamite con il polo Nord oppure Sud orientato in avanti lungo la direzione del moto. La prima osservazione del CISS in molecole isolate da qualsiasi substrato apre la strada a una vera comprensione microscopica del fenomeno, finora mascherato dalla presenza di complesse interfacce. 13/10/2023
Fonte: Università di Parma

NOTA DI REDAZIONE: 

CHIRALITÀ IN CHIMICA ORGANICA

La definizione di chiralità, dal greco cheir che significa “mano”, si deve a Lord Kelvin che la enunciò nel corso delle “Baltimore Lectures”, una serie di lezioni tenute alla Johns Hopkins University di Baltimora a partire dal primo ottobre del 1884, e pubblicate venti anno dopo, nel 1904, in cui lo scienziato inglese, tra le altre cose, affermava: “I call any geometrical figure, or groups of points, chiral, and say it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself”.
Dunque, la chiralità è la proprietà geometrica di un insieme di punti o atomi nello spazio, o di oggetti solidi, di non essere sovrapponibili alla loro immagine speculare. Questi strutture, definite chirali, hanno la caratteristica peculiare di essere prive di elementi di simmetria del secondo ordine, ossia un piano di simmetria, un centro di inversione, o un asse di roto-riflessione.
L’ambiente che ci circonda è ricco di oggetti chirali: le nostre mani ne sono l’esempio per eccellenza, ma ce ne sono moltissimi altri, dal guscio di una chiocciola sino a una galassia a spirale. In chimica, e in special modo in chimica organica, la chiralità è una proprietà di importanza primaria, in quanto molecole come i carboidrati, molti amminoacidi, nonchè moltissimi farmaci, sono chirali.
Le molecole chirali possono esistere in due forme, l’una immagine speculare dell’altra e non sovrapponibili, ossia, non esiste una combinazione di rotazioni o traslazioni sul piano del foglio che consenta la loro sovrapposizione. Queste molecole sono dette enantiomeri, dal greco enántios che significa “contrario” e meros che significa “parte”.
La causa più comune di chiralità in una molecola è la presenza di un centro di chiralità o centro chirale, anche detto centro asimmetrico, cioè un atomo che leghi un insieme di ligandi disposti nello spazio in modo che la molecola risultante possa esistere come due enantiomeri.
Gli enantiomeri a loro volta sono un tipo di stereoisomeri, i quali possono essere definiti come isomeri che hanno lo stesso numero e tipo di atomi e legami, ma che differiscono nell’orientamento spaziale degli atomi.