La molecola di acido formico trema nella terza dimensione
Il tremore quantistico: perché non esistono molecole veramente piatte
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L'acido formico è considerato una molecola in cui tutti gli atomi si trovano in un unico piano. Un gruppo di ricerca della Goethe University, insieme a partner di cooperazione, ha ora dimostrato sperimentalmente che gli atomi dell'acido formico si spostano continuamente da questo piano su una scala minima. Di conseguenza, la molecola non è piatta per la maggior parte del tempo, ma tridimensionale, perdendo così la sua simmetria. Il tremolio degli atomi è un effetto della fisica quantistica, secondo la quale le particelle non sono mai a riposo.
Come la mano destra e la mano sinistra: La vibrazione quantomeccanica del punto zero, il "tremolio" degli atomi, rende l'acido formico una molecola chirale le cui due forme, come la mano destra e la mano sinistra, non possono essere sovrapposte.
© Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt
I libri di testo tradizionali di chimica presentano un quadro ordinato: Gli atomi nelle molecole occupano posizioni fisse, collegate da aste rigide. Una molecola come l'acido formico (acido metanoico, HCOOH) è immaginata come bidimensionale, piatta come un foglio di carta. Ma la fisica quantistica racconta una storia diversa. In realtà, la natura resiste alla rigidità e costringe anche le strutture più semplici alla terza dimensione.
I ricercatori guidati dal professor Reinhard Dörner dell'Istituto di Fisica Nucleare della Goethe University hanno ora determinato l'esatta struttura spaziale della molecola "piatta" dell'acido formico utilizzando un fascio di raggi X della sorgente di radiazione di sincrotrone PETRA III del centro di accelerazione DESY di Amburgo. Hanno collaborato con colleghi delle università di Kassel, Marburg e Nevada, dell'Istituto Fritz Haber e dell'Istituto Max Planck per la fisica nucleare.
Per farlo, hanno sfruttato due effetti che si verificano quando i raggi X colpiscono una molecola. In primo luogo, la radiazione espelle diversi elettroni dalla molecola (effetto fotoelettrico ed effetto Auger). Di conseguenza, gli atomi diventano così carichi che la molecola esplode (esplosione di Coulomb). Gli scienziati sono riusciti a misurare questi processi in modo sequenziale, anche se avvengono nell'arco di femtosecondi, ovvero di miliardesimi di miliardesimo di secondo.
A questo scopo, hanno utilizzato un apparecchio inventato alla Goethe University e da allora continuamente perfezionato: Il microscopio di reazione COLTRIMS. Sulla base dei dati di misurazione, sono stati in grado di calcolare la geometria originale della molecola di acido formico. Il risultato: I due atomi di idrogeno dell'acido formico oscillano leggermente avanti e indietro, il che significa che la molecola non è piatta.
Reinhard Dörner spiega che: "Nel mondo quantistico, i nuclei atomici non sono piccole sfere che rimangono fisse al loro posto. Sono più simili a nuvole vibranti. Anche se raffreddiamo una molecola fino allo zero assoluto, questo tremolio - il cosiddetto moto di punto zero - non si ferma mai".
La conseguenza è radicale: Un nucleo atomico non ha una posizione esatta, ma solo una probabilità di trovarsi in un luogo particolare. In un certo senso, è "un po' ovunque". Di conseguenza, una molecola di acido formico è effettivamente tridimensionale in quasi ogni momento.
Dörner aggiunge: "Grazie a questo piccolo passo nella terza dimensione, la molecola perde la sua simmetria e non può più essere sovrapposta alla sua immagine speculare, come la nostra mano destra e sinistra". L'acido formico è chirale: per metà del tempo ha una forma sinistrorsa e per l'altra metà una forma destrorsa".
In chimica, due forme chirali - i cosiddetti enantiomeri - possono avere effetti completamente diversi: Mentre una forma di una molecola può agire come un farmaco, la sua immagine speculare può essere inefficace. Normalmente, questa caratteristica è dovuta alla struttura fissa di una molecola.
Dörner conclude: "Come abbiamo potuto dimostrare con l'esempio dell'acido formico, il tremolio quantistico da solo può generare due diverse realtà speculari da una molecola simmetrica. Ciò significa che la manualità - un'importante proprietà della vita - non deriva dal progetto statico della molecola, ma solo dall'incessante tremolio del mondo quantistico. Più in generale, i nostri risultati con l'acido formico dimostrano che la geometria non è una proprietà statica ma un evento dinamico, e che una molecola piatta è in realtà solo il valore medio dei suoi atomi che tremano in tutte le direzioni".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz, A. Senftleben, Ph. V. Demekhin, R. Berger, T. Jahnke, M. S. Schöffler, R. Dörner; "Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid"; Physical Review Letters, Volume 136, 2026-1-30
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