Importante passo avanti nella chimica dei composti fluorurati
Superare il "muro del fluoro": i ricercatori osservano per la prima volta l'effetto tunneling degli atomi pesanti
Un team di ricerca internazionale composto da scienziati della Freie Universität di Berlino e del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), in collaborazione con l'Université de Lorraine di Metz, in Francia, ha raggiunto un importante traguardo nella chimica dei composti fluorurati. Con l'ausilio di simulazioni chimiche quantistiche sono riusciti a dimostrare per la prima volta che anche gli atomi di fluoro pesante possono "fare tunnel", ovvero trasformarsi tra due stati. Lo studio "Experimental Observation of Quantum Mechanical Fluorine Tunneling" è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications. Apre nuove prospettive per il controllo delle reazioni chimiche e per comprendere meglio ciò che rende alcuni composti fluorurati particolarmente stabili o reattivi.
Il fluoro e i composti fluorurati sono comuni nella nostra vita quotidiana. I gruppi fluorurati migliorano l'assorbimento dei farmaci nell'organismo; i composti fluorurati rendono le batterie dei cellulari più efficienti e le fanno durare più a lungo; il fluoro nei dentifrici previene le carie. Allo stesso tempo, le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) rappresentano un problema crescente per la salute umana e l'ambiente.
Per comprendere appieno gli effetti positivi e negativi del fluoro nei composti è necessaria una ricerca approfondita sulla scienza che sta alla base delle interazioni prodotte dal fluoro e dai suoi composti. Questo è uno degli obiettivi del Centro di ricerca collaborativo (CRC) 1349 "Interazioni specifiche con il fluoro", finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) dal 2019. Nell'ambito del CRC 1349, i team guidati dal professor Sebastian Hasenstab-Riedel e dalla professoressa Beate Paulus della Freie Universität di Berlino, insieme al professor Jean Christophe Tremblay del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), in collaborazione con l'Université de Lorraine di Metz, in Francia, hanno ora scoperto un'interazione fluoro-specifica unica.
Più di dieci anni fa Hasenstab-Riedel e il suo team sono riusciti a catturare una molecola insolita in un cristallo di neon a -270°C. Questa molecola, un anione composto da un fluoro, è stata scoperta da un gruppo di scienziati. Questa molecola - un anione composto da soli cinque atomi di fluoro strettamente impacchettati, altamente carichi e instabili - in realtà non dovrebbe esistere. Eppure, la molecola è rimasta sorprendentemente stabile.
Per capire cosa tenesse insieme questa molecola, i ricercatori del team di Paulus e Tremblay hanno effettuato calcoli approfonditi e simulazioni meccaniche quantistiche. Si sono imbattuti in un effetto sorprendente che fino a quel momento era stato osservato principalmente per l'idrogeno, che è molto leggero, ma che era considerato praticamente impossibile per l'atomo di fluoro, relativamente pesante. I ricercatori sono riusciti a dimostrare che anche gli atomi di fluoro possono effettivamente effettuare un tunneling, cioè far trasformare spontaneamente una molecola tra due stati separati da una barriera energetica finita.
Questo tipo di tunneling è già stato osservato in altre molecole di elementi molto più leggeri, come l'idrogeno e l'ossigeno. Fino ad oggi, i ricercatori ritenevano che gli atomi di fluoro fossero troppo pesanti per poter effettuare il tunneling, motivo per cui si tendeva a parlare di "muro di fluoro" quando si parlava di tunneling.
Tuttavia, questo nuovo studio sembra indicare un cambiamento di paradigma. La combinazione di speciali condizioni di legame in molecole intrappolate in uno spazio molto piccolo sembra rendere possibile il tunneling di atomi più pesanti dell'ossigeno. "I risultati non si limitano ad ampliare la nostra comprensione dei legami chimici nei composti fluorurati", afferma il Dr. Carsten Müller della Freie Universität di Berlino, primo autore dello studio. "Ci hanno anche fornito nuovi strumenti per controllare le reazioni molecolari in modo mirato, che si tratti di ricerca sui materiali, medicina o progettazione di nuove tecnologie".
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