Dispositivo di dimensioni nanoscopiche che consentirà di misurare la massa di singole molecole

Costruito con materiali già ampiamente utilzzati nell’industria dei semiconduttori, un nuovo dispositivo di dimensioni nanoscopiche realizzato al Caltech consente di misurare la massa di una singola molecola analizzando le variazioni delle vibrazioni causate da una particella che viene posata su di esso, aprendo la strada a interessanti applicazioni in campo microbiologico.

Potrebbe aprire la strada a nuove metodiche di studio nel campo della chimica e della microbiologia il nuovo dispositivo che consente per la prima volta di misurare la massa di singole molecole. Oltre a ciò, può essere realizzato con tecniche già utilizzate nell’industria dei semiconduttori, con evidenti vantaggi in termini di costi di produzione su larga scala.

Secondo quanto riferito sull’ultimo numero della rivista “Nature Nanotechnology” dai ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) guidati da Michael Roukes, in collaborazione con colleghi del Laboratoire d’électronique des technologies de l’information (CEA-LETI) di Grenoble, il microprototipo, denominato “risuonatore nanoelettromeccanico” (NEMS), è costituito da una struttura vibrante lunga appena un paio di milionesimi di metro. Quando una molecola vi si posa sopra, ne cambia la frequenza di oscillazione; misurando variazione della vibrazione è quindi possibile risalire alla massa della molecola.

Microfotografia del risuonatore per la misura della massa di singole molecole messo a punto al Caltech (Cortesia Scott Kelberg e Michael Roukes/Caltech)

Il principio di funzionamento del dispositivo, in effetti, non è una novità assoluta, dato che era stato già descritto in un lavoro del 2009 da Roukes e colleghi. In quell’articolo veniva però sottolineato un limite di funzionamento del NEMS: le variazioni di frequenza non dipendevano solo dalla massa delle singole particelle ma anche dal punto in cui venivano collocate. Questa incertezza costringeva a un lungo lavoro sperimentale, poiché occorreva ripetere le misurazioni con 500 particelle identiche per poter fornire una stima della loro massa.

Rappresentazione artistica di un’immunoglobulina:  queste molecole espresse dalle cellule immunitarie sono state usate per dimostrare le potenzialità della nuova tecnica in campo biomedico (© Sciepro/Science Photo Library/Corbis)

La nuova versione del risonatore consente invece di effettuare una misurazione con una sola molecola: in aiuto è venuta l’analisi dei modi vibrazionali della parte mobile del dispositivo. Com’è noto infatti un’asta vincolata agli estremi mostra un moto oscillatorio composto da una vibrazione di primo ordine in cui il punto al centro rispetto alla lunghezza compie la massima oscillazione, a cui si sovrappongono un’oscillazione di secondo ordine in cui le due metà vibrano in direzioni opposte formando a ogni istante un profilo a “S” più o meno panciuto, e così via.

In quest’ultimo studio, il gruppo ha scoperto che l’analisi dei soli primi due ordini vibrazionali consente di determinare sia la massa sia la posizione della molecola.

“Ogni misura permette quindi di determinare la massa di una singola particella, cosa che non era possibile con la precedente versione  del risuonatore”, spiega Mehmet Selim Hanay, uno degli autori della ricerca.