Osservare una molecola mentre cambia, seguendo il movimento coordinato di elettroni e nuclei nei primissimi istanti successivi all’assorbimento della luce. È quanto consente di fare un nuovo apparato sperimentale sviluppato da un gruppo internazionale di ricerca guidato dal Politecnico di Milano, che ha raggiunto una risoluzione temporale di circa 3 femtosecondi.
Un femtosecondo equivale a un milionesimo di miliardesimo di secondo: una scala temporale estremamente breve, che permette di distinguere fasi successive di una trasformazione molecolare e di indagare più da vicino i meccanismi che regolano le reazioni fotochimiche. Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, colloca la nuova piattaforma ai vertici della spettroscopia di fotoelettroni risolta nel tempo. La ricerca è stata condotta nell’ambito del progetto europeo ERC Synergy TOMATTO.
La reazione osservata nei suoi passaggi intermedi
Per verificare le potenzialità della tecnica, i ricercatori hanno studiato l’acetilacetone, una molecola utilizzata come modello per comprendere come l’assorbimento della luce possa innescare trasformazioni ultrarapide. Grazie alla risoluzione raggiunta, è stato possibile distinguere 2 passaggi successivi attraverso un’intersezione conica, una regione cruciale nella quale cambia lo stato elettronico della molecola e si determina il percorso della sua evoluzione. Si tratta di una dinamica che gli strumenti precedentemente disponibili non riuscivano a separare temporalmente. Il progresso consente quindi di andare oltre l’osservazione complessiva di una trasformazione, ricostruendone le fasi iniziali e i processi che ne determinano l’andamento.
“Con questo apparato possiamo seguire una molecola nei primissimi istanti dopo l’assorbimento della luce, con un livello di dettaglio che prima non era accessibile. È come aumentare enormemente il numero di fotogrammi di un film: una trasformazione apparentemente unica rivela finalmente tutti i suoi passaggi intermedi“, afferma Mauro Nisoli, docente del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e coordinatore del progetto ERC Synergy TOMATTO.
Due impulsi luminosi per seguire l’evoluzione molecolare
Il funzionamento del dispositivo si basa sull’utilizzo di due impulsi luminosi estremamente brevi, sincronizzati con elevatissima precisione. Il primo, nell’ultravioletto, viene assorbito dalla molecola e avvia la trasformazione. Il secondo, nell’estremo ultravioletto e della durata di pochi attosecondi, raggiunge il sistema dopo un intervallo temporale controllabile, consentendo di ricostruirne lo stato in quell’istante. Ripetendo la misurazione a intervalli successivi, gli scienziati possono seguire la redistribuzione dell’energia interna e il movimento coordinato di elettroni e nuclei. Nel caso dell’acetilacetone, questo approccio ha permesso di ricostruire con un dettaglio senza precedenti i primi passaggi della trasformazione innescata dalla luce.
“Quello che osserviamo è il momento in cui la luce mette in moto la molecola e ne riorganizza l’energia interna“, spiega Maurizio Reduzzi, professore associato del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. “Riuscire a seguire direttamente questi passaggi significa avvicinarsi al cuore dei processi fotochimici, là dove una trasformazione prende davvero forma“.
Dalla ricerca fondamentale alle applicazioni future
La possibilità di modificare la lunghezza d’onda dell’impulso ultravioletto rende la piattaforma adattabile allo studio di molecole differenti e di diversi stati elettronici. Il metodo potrà essere esteso a sistemi più complessi, comprese molecole di interesse biologico, materiali fotoattivi e processi legati alla conversione dell’energia.
Il risultato apre inoltre nuove prospettive per l’attochimica, il campo di ricerca che studia come osservare e, in prospettiva, controllare le trasformazioni chimiche intervenendo sul moto degli elettroni prima che entri in gioco il movimento più lento dei nuclei atomici. Comprendere con precisione ciò che accade in queste frazioni infinitesimali di secondo significa approfondire i meccanismi fondamentali attraverso cui la luce modifica la materia, con possibili ricadute nello studio dei processi chimici e nello sviluppo di nuove strategie per controllarli.
Alla ricerca hanno partecipato studiosi del Politecnico di Milano, dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR), della Heriot-Watt University di Edimburgo e dell’Università di Bologna. Il lavoro è stato sostenuto dallo European Research Council attraverso il progetto ERC Synergy TOMATTO.
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