Come si formano i legami chimici: osservare il flusso di energia in tempo reale
La spettroscopia a femtosecondi rende visibili i processi chimici
Un nuovo metodo combina gocce di elio con impulsi laser ultracorti per avviare processi chimici in modo controllato. Ciò consente di comprendere il trasferimento di energia e carica durante la formazione di legami chimici.
Per la prima volta, un team di ricerca guidato da Markus Koch dell'Istituto di Fisica Sperimentale dell'Università di Tecnologia di Graz (TU Graz) ha tracciato in tempo reale come i singoli atomi si combinano per formare un cluster e quali processi sono coinvolti. Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno prima isolato gli atomi di magnesio usando elio superfluido e poi hanno usato un impulso laser per innescare il processo di formazione. I ricercatori hanno potuto osservare la formazione del cluster e il trasferimento di energia tra i singoli atomi con una risoluzione temporale dell'ordine dei femtosecondi (1 femtosecondo = 1 quadrilionesimo di secondo). I risultati sono stati pubblicati di recente sulla rivista Communications Chemistry.
Il "nano-frigorifero" porta gli atomi nella posizione di partenza
"Normalmente gli atomi di magnesio formano istantaneamente legami stretti, il che significa che non esiste una configurazione di partenza definita per l'osservazione dei processi di formazione dei legami", spiega Markus Koch. I ricercatori hanno risolto questo problema, che spesso si presenta quando si osservano processi chimici in tempo reale, conducendo esperimenti con gocce di elio superfluido. Queste goccioline agiscono come "nano-frigoriferi" ultrafreddi che isolano i singoli atomi di magnesio gli uni dagli altri a temperature estremamente basse di 0,4 Kelvin (= -272,75 gradi Celsius o 0,4 gradi Celsius sopra lo zero assoluto) a una distanza di un milionesimo di millimetro. "Questa configurazione ci ha permesso di avviare la formazione di cluster con un impulso laser e di seguirla con precisione in tempo reale", spiega Michael Stadlhofer, che ha condotto gli esperimenti nell'ambito della sua tesi di dottorato.
La spettroscopia a femtosecondi rende visibili i processi chimici
I ricercatori hanno osservato i processi innescati dall'impulso laser utilizzando la spettroscopia di fotoelettroni e fotoioni. Mentre gli atomi di magnesio si combinavano per formare un cluster, sono stati ionizzati con un secondo impulso laser. Markus Koch e i suoi colleghi sono riusciti a ricostruire in dettaglio i processi coinvolti sulla base degli ioni formati e degli elettroni rilasciati.
Gli atomi mettono in comune la loro energia
Una scoperta fondamentale è la messa in comune dell'energia. Legandosi l'uno all'altro, diversi atomi di magnesio trasferiscono l'energia di eccitazione ricevuta dal primo impulso laser a un singolo atomo del cluster, che raggiunge così uno stato energetico molto più elevato. È la prima volta che il pooling energetico viene dimostrato con una risoluzione temporale.
Ricerca di base con potenziale applicativo
"Speriamo che questa separazione atomica all'interno di gocce di elio funzioni anche per una classe più ampia di elementi, diventando così un metodo generalmente applicabile nella ricerca di base", afferma Markus Koch. "Inoltre, le scoperte sul raggruppamento dell'energia potrebbero essere rilevanti per i processi di trasferimento dell'energia in varie aree di applicazione, ad esempio nella fotomedicina o nell'utilizzo dell'energia solare".
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