Logran girar una sola molécula en el sentido de las agujas del reloj o al contrario a petición

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Controlar la rotación de esta molécula podría conducir a nuevas tecnologías para la microelectrónica, la computación cuántica y más.

Puede girar fácilmente una pelota de béisbol en la mano girando los dedos.

Pero se necesitan científicos ingeniosos con acceso a instalaciones científicas de clase mundial para rotar un objeto que tiene solo dos mil millonésimas de metro de ancho.

Eso es un millón de veces más pequeño que una gota de lluvia.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) informan que pueden rotar con precisión una sola molécula tan pequeña a pedido.

El ingrediente clave es un solo átomo de europio, un elemento de tierras raras.

Descansa en el centro de un complejo de diferentes átomos y le da a la molécula muchas aplicaciones potenciales.

“Nuestra misión principal es comprender a nivel de átomos las propiedades de las tierras raras, que son materiales críticos para la industria estadounidense”., dijo Saw Wai Hla, físico del Centro de Materiales a Nanoescala

“Podemos rotar este complejo de europio 60 o 120 grados a la derecha o a la izquierda“, dijo Saw Wai Hla, físico del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne, y profesor de física de la Universidad de Ohio.

“La capacidad de controlar el movimiento de un complejo de tierras raras como este podría afectar a un amplio espectro de tecnologías“.

Eso incluye microelectrónica de próxima generación, tecnologías cuánticas, catálisis para acelerar reacciones, conversión de luz en electricidad y más.

El término “tierras raras” es engañoso.

Los elementos de tierras raras no son exactamente raros, pero son materiales críticos utilizados en muchos dispositivos electrónicos, como teléfonos celulares, discos duros de computadoras, paneles solares y monitores de pantalla plana.

La capacidad de rotar esta molécula de europio a pedido podría expandir sus aplicaciones a la microelectrónica de próxima generación que funciona con computadoras cuánticas de potencia relativamente baja y más.

Las tierras raras se combinan fácilmente con otros elementos en la corteza terrestre.

Por lo tanto, es difícil y costoso producir tierras raras puras para dispositivos.

También es costoso recolectarlos a partir de desechos que contienen tierras raras.

El complejo de europio del equipo reduciría la cantidad de tierras raras necesarias para un dispositivo en particular y sería mucho menos costoso de fabricar en grandes cantidades.

Los componentes clave del complejo son un solo átomo de europio con carga positiva y dos moléculas pequeñas con carga negativa.

El átomo de europio se encuentra en el centro del complejo, mientras que una de las moléculas pequeñas está a un lado y la otra en la parte inferior.

Debido a que los opuestos se atraen, estas cargas negativas y positivas mantienen estos componentes juntos sin necesidad de un enlace químico.

Y la pequeña molécula en la parte inferior ancla el complejo a una lámina de oro.

Esta hoja actúa como una mesa para sostener todo el complejo en un solo lugar, de la misma manera que se necesita una superficie plana y sólida para hacer girar una botella.

“Normalmente, si coloca un complejo como el nuestro con cargas positivas y negativas en una hoja de metal, las cargas se disipan”, dijo Hla.

“Entonces, nos emocionamos cuando eso no sucedió aquí.

Nuestros cálculos indicaron que los átomos en el complejo que rodea al átomo de europio actúan como un aislante que evita que las cargas se disipen hacia la lámina de oro”.

Las dos moléculas cargadas negativamente en el complejo trabajan juntas para actuar como una unidad de control.

Para provocar la rotación, el equipo aplicó energía eléctrica a un punto específico del complejo a través de la punta de un instrumento llamado microscopio de efecto túnel.

Esta sonda no solo controla la rotación sino que también puede visualizar el complejo para su estudio.

A una temperatura de 100 Kelvin, el complejo del equipo gira constantemente.

Esa rotación se detiene cuando disminuyen la temperatura a un ultrafrío de 5 K.

Al aplicar la energía eléctrica se inicia la rotación deseada de 60 o 120 grados, en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, dependiendo de hacia dónde se dirija el campo eléctrico.

“Desarrollar, fabricar y probar este complejo a nanoescala no hubiera sido posible sin los instrumentos únicos en su tipo en CNM”, dijo Hla.

Además, una línea de luz (XTIP) en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne, proporcionó el haz de rayos X de alto brillo necesario para establecer que el único átomo de europio tenía una carga positiva.

“XTIP es la primera línea de luz del mundo dedicada a la técnica de microscopía de túnel de barrido de rayos X sincrotrón“, dijo Volker Rose, un físico de Argonne con un nombramiento conjunto en la Universidad de Ohio.

“Con la línea de luz XTIP pudimos caracterizar los estados elementales y químicos de la molécula que contiene europio“, dijo el físico asistente Nozomi Shirato.

Estos datos establecieron que el único átomo de europio en la molécula tiene una carga positiva de más tres y no pierde esa carga cuando se absorbe en la superficie de oro.

Esta retención del estado de carga es clave para la capacidad de rotar la molécula.

Fuente: ANL