La "molecola impossibile" che si ispira al nastro di Möbius è stata costruita atomo per atomo, e ora possiamo progettare materiali inediti

07/03/2026 SCIENZA E TECNOLOGIA Preferisci Informazione.News su Google

Redazione Scienza e Tecnologia   -   C’è una figura matematica, il nastro di Möbius, che continua a sfidare la nostra intuizione: una superficie con un solo lato e un solo bordo, che si percorre interamente prima di tornare al punto di partenza. Una forma che affascina da decenni matematici, artisti e, come scopriamo oggi, anche i chimici. Un team internazionale di ricercatori, coordinato dal chimico teorico Igor Rončević dell’Università di Manchester e con il contributo di gruppi di Oxford, dell’ETH di Zurigo, dell’EPFL di Losanna, dell’Università di Ratisbona e del centro di ricerca di IBM a Zurigo, ha infatti sintetizzato e osservato per la prima volta una molecola la cui struttura elettronica replica, in scala nanometrica, una versione inedita di questo celebre oggetto topologico.

Il risultato, pubblicato sulle pagine di Science, rappresenta molto più di un semplice esercizio di stile. Si tratta della creazione di una molecola con una topologia mai vista prima in natura, descritta dai suoi stessi artefici come una sorta di "half-Möbius", un nastro con un semi-torcimento. A differenza dei classici composti aromatici come il benzene, dove gli elettroni π si distribuiscono in modo simmetrico sopra e sotto l’anello di atomi di carbonio, in questa nuova architettura gli elettroni sono costretti a seguire un percorso elicoidale. Per ogni giro completo dell’anello molecolare, la loro fase subisce una rotazione di novanta gradi, il che significa che sono necessari quattro cicli per ritrovare la condizione iniziale. È un comportamento quantistico che non era mai stato neppure ipotizzato e che ora diventa realtà, aprendo scenari inesplorati nella progettazione di materiali artificiali.

Costruita e manovrata atomo per atomo con le sonde di IBM

Per realizzare questa impresa, i ricercatori hanno dovuto letteralmente costruire la molecola con le proprie mani, se così si può dire, muovendo atomi uno a uno. Il punto di partenza è stato un precursore più complesso, una molecola contenente tredici atomi di carbonio e dieci di cloro, fornita dal gruppo di chimica sintetica di Oxford. Utilizzando la punta affilatissima di un microscopio a effetto tunneling, uno strumento che discende direttamente dalle ricerche premio Nobel di Gerd Binnig e Heinrich Rohrer in IBM, gli scienziati hanno applicato impulsi di voltaggio calibrati con precisione per rimuovere, uno dopo l’altro, otto atomi di cloro. L’operazione, condotta in condizioni di vuoto spinto e a temperature prossime allo zero assoluto su un substrato isolante di sale posto sopra una superficie d’oro, ha permesso di ottenere la molecola desiderata, un anello di carbonio con formula C₁₃Cl₂, e di immobilizzarla per poterla studiare.

La conferma della sua forma e della sua struttura elettronica è arrivata da un’altra tecnica sviluppata nei laboratori di IBM, la microscopia a forza atomica. Grazie a una sonda funzionalizzata con una molecola di monossido di carbonio, è stato possibile ottenere immagini ad altissima risoluzione che mostravano non solo la disposizione degli atomi ma anche la loro geometria leggermente distortae, una chiralità che già suggeriva qualcosa di insolito. Ma la prova regina è venuta dalle immagini della nuvola elettronica, in particolare dell’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia, che hanno rivelato una struttura a spirale, un avvolgimento continuo attorno all’anello di carbonio, la firma inequivocabile della topologia half-Möbius.

Il ruolo cruciale del calcolo quantistico per svelare l’enigma

Comprendere perché gli elettroni si dispongano in quel modo, tuttavia, rappresentava una sfida teorica formidabile, al di là della portata dei computer classici. La molecola, spiega Igor Rončević, presenta forti correlazioni elettroniche e un pronunciato carattere multiriferimento, condizioni che rendono proibitiva una simulazione esatta con i metodi tradizionali. È qui che entra in gioco il computer quantistico di IBM. Gli scienziati hanno utilizzato un processore quantistico Heron, impiegando fino a cento qubit per eseguire un algoritmo chiamato SqDRIFT, che ha permesso di esplorare uno spazio di configurazione di trentadue elettroni, laddove i metodi classici esatti si fermano a circa diciotto.

La simulazione quantistica ha fatto luce sul meccanismo all’origine della topologia scoperta: un effetto pseudo-Jahn-Teller elicoidale. In pratica, la geometria leggermente distorta dell’anello di carbonio interagisce con la sua struttura elettronica, stabilizzando una configurazione energetica che favorisce la formazione della spirale half-Möbius. I ricercatori hanno inoltre scoperto di poter invertire questo stato, applicando impulsi di tensione dalla punta del microscopio per far passare la molecola dalla configurazione elicoidale destrorsa a quella sinistrorsa, o addirittura a una configurazione planare topologicamente banale. Un livello di controllo che dimostra come la topologia elettronica possa diventare una proprietà ingegnerizzabile e non semplicemente un accidente della natura.