Come le molecole rompono e formano i legami
Un passo fondamentale verso la comprensione dei processi chimici
I ricercatori dell'European XFEL in Germania hanno tracciato in tempo reale il movimento di singoli atomi durante una reazione chimica in fase gassosa. Utilizzando lampi di raggi X estremamente brevi, hanno potuto osservare la formazione di una molecola di iodio (I₂) dopo aver irradiato molecole di diiodometano (CH₂I₂) con luce infrarossa, che comporta la rottura di due legami e la formazione di uno nuovo. Allo stesso tempo, sono stati in grado di distinguere questa reazione da altre due vie di reazione, ovvero la separazione di un singolo atomo di iodio dal diiodometano o l'eccitazione di vibrazioni di flessione nella molecola legata. I risultati forniscono nuovi spunti di riflessione su meccanismi di reazione fondamentali, finora molto difficili da distinguere sperimentalmente.
Il diiodometano irradiato con luce infrarossa può subire diverse reazioni. Impulsi intensi di raggi X dell'XFEL europeo e un microscopio di reazione dello strumento SQS sono stati utilizzati per caratterizzare tre principali percorsi di reazione.
Tobias Wüstefeld, © European XFEL
Le cosiddette reazioni di eliminazione, in cui piccole molecole si formano da una molecola più grande, sono fondamentali per molti processi chimici, dalla chimica atmosferica alla ricerca sui catalizzatori. Tuttavia, il meccanismo dettagliato di molte reazioni, in cui diversi atomi rompono e riformano i loro legami, rimane spesso oscuro. Il motivo: I processi avvengono in tempi incredibilmente brevi - femtosecondi, o pochi milionesimi di miliardesimo di secondo.
Un approccio sperimentale innovativo è stato ora utilizzato presso lo strumento SQS dell'European XFEL per visualizzare queste dinamiche di reazione. I ricercatori hanno irradiato molecole di diiodometano con impulsi laser infrarossi ultracorti, che hanno innescato le reazioni molecolari. Femtosecondi dopo, intensi lampi di raggi X hanno frantumato le molecole, facendo volare i loro componenti atomici in una "esplosione di Coulomb". Le traiettorie e le velocità degli ioni sono state poi registrate da un dispositivo di rilevamento chiamato microscopio di reazione COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), uno degli strumenti di rilevamento della stazione sperimentale SQS messo a disposizione degli utenti.
"Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di tracciare con precisione il modo in cui gli atomi di iodio si assemblano mentre il gruppo metilenico viene scisso", spiega Artem Rudenko della Kansas State University, USA, ricercatore principale dell'esperimento. L'analisi ha rivelato che alla formazione della molecola di iodio contribuiscono sia meccanismi sincroni che asincroni, un risultato supportato dai calcoli teorici.
È sorprendente che "sebbene questo percorso di reazione rappresenti solo il dieci per cento circa dei prodotti risultanti, siamo stati in grado di distinguerlo chiaramente dalle altre reazioni concorrenti", spiega Rebecca Boll dello strumento europeo SQS (Small Quantum Systems) di XFEL a Schenefeld, vicino ad Amburgo. Ciò è stato possibile grazie alla selezione precisa di specifici canali di frammentazione ionica e alla loro analisi risolta nel tempo.
Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di seguire il movimento vibrazionale della molecola di iodio appena formata. "Ora possiamo osservare più direttamente come una molecola isolata si rompe e forma legami durante una reazione chimica, in tempo reale e con precisione atomica", afferma Xiang Li, primo autore della pubblicazione e scienziato dello SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti. Si tratta di un passo fondamentale per la comprensione dei processi chimici. Queste osservazioni non solo forniscono un quadro dettagliato dei meccanismi di reazione, ma aprono anche nuove strade per lo studio di processi chimici più complessi.
In futuro, queste tecniche saranno estese a molecole ancora più grandi e a reazioni più complesse. Grazie ai miglioramenti tecnici previsti per il laser europeo a raggi X XFEL, in futuro sarà possibile ottenere una visione ancora più rapida e dettagliata del mondo della dinamica molecolare ultraveloce.
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Pubblicazione originale
Xiang Li, Rebecca Boll, Patricia Vindel-Zandbergen, Jesús González-Vázquez, Daniel E. Rivas, Surjendu Bhattacharyya, Kurtis Borne, Keyu Chen, ... Sergey Usenko, Anbu Selvam Venkatachalam, Enliang Wang, James P. Cryan, Michael Meyer, Till Jahnke, Phay J. Ho, Daniel Rolles, Artem Rudenko; "Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser"; Nature Communications, Volume 16, 2025-7-30
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