La luce laser controlla le strutture molecolari
Un nuovo strumento per lo studio delle reazioni chimiche
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I ricercatori dei dipartimenti di Fisica Molecolare e Chimica Fisica dell’Istituto Fritz Haber hanno dimostrato come due raggi laser a infrarossi (IR) altamente sincronizzati possano controllare le molecole mentre passano da una conformazione strutturale all’altra. La loro tecnica apre una nuova prospettiva su come le molecole si riorganizzano durante le reazioni chimiche, fornendo approfondimenti fondamentali sui processi microscopici che regolano la chimica.
Un nuovo strumento per lo studio delle reazioni chimiche
Le reazioni chimiche sono alla base di tutti i processi che sostengono la vita. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare descrizioni fisiche precise di questi processi al fine di comprenderli, prevederli o controllarli in modo mirato.
Nelle reazioni chimiche, le molecole subiscono varie trasformazioni strutturali, modificando la loro forma tridimensionale tra diverse conformazioni. Questi cambiamenti possono essere visualizzati come movimenti attraverso un paesaggio energetico, dove la conformazione del terreno determina la velocità con cui procede una reazione. Analogamente a una palla che rotola su un terreno collinare, una molecola deve superare delle barriere energetiche — le «montagne» — per stabilizzarsi in un nuovo stato stabile nella successiva «valle».
In uno studio precedente su un complesso di fosfato-formiato legato a un protone, il team di ricerca ha osservato l’insolita assenza di caratteristiche spettrali, suggerendo che il cambiamento strutturale sia innescato dall’irradiazione laser — un processo noto come isomerizzazione indotta da IR. Per studiare questo affascinante processo in modo più approfondito, hanno sviluppato un nuovo approccio sperimentale che richiede due laser IR sincronizzati. Il nuovo funzionamento a due colori del IR-FEL a doppio oscillatore, recentemente costruito presso l’Istituto Fritz-Haber, ha ora reso possibili tali esperimenti, aprendo così nuove strade per lo studio e il controllo delle molecole.
Identificazione molecolare selettiva ed efficiente
Il team di ricerca ha intrappolato gli ioni molecolari all’interno di goccioline di elio liquido superfluido — a una temperatura di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto — per raffreddare rapidamente le molecole consentendo loro al contempo di assorbire la luce laser per un tempo insolitamente lungo. Man mano che le molecole assorbono la luce, l’elio circostante evapora gradualmente e, dopo ripetuti eventi di assorbimento, tale evaporazione produce un segnale rilevabile.
Tuttavia, se la molecola si riorganizza in una struttura diversa prima che si verifichi un assorbimento sufficiente, il segnale va perso. Per ovviare a questo problema, il team ha utilizzato due fasci laser a elettroni liberi nell’infrarosso (IR) sintonizzabili indipendentemente l’uno dall’altro per controllare completamente le popolazioni delle due conformazioni molecolari. Un laser può indurre la molecola a riorganizzarsi in un conformero diverso, mentre il secondo ripopola selettivamente la struttura originale, consentendo un assorbimento continuo.
Il lungo tempo di eccitazione IR (fino a 10 µs) e il rapido raffreddamento fornito dall’ambiente di elio hanno consentito la conversione completa tra gli isomeri, rendendo possibile la misurazione selettiva degli stessi – ottenendo così un’impronta molecolare che rimarrebbe nascosta nelle misurazioni con un singolo laser.
Questa tecnica offre un nuovo e potente modo per controllare la struttura molecolare e comprendere meglio i riarrangiamenti molecolari, aprendo nuove opportunità per studiare le dinamiche che regolano la chimica al livello più fondamentale.
Funzionamento a due colori dell’FHI-FEL
I laser a elettroni liberi nell’infrarosso (IR-FEL) si sono dimostrati strumenti ideali per diverse varianti della spettroscopia. Consentono di accedere a lunghezze d’onda elevate (λ ≥ 15 µm), cosa che rimane limitata con le sorgenti commerciali. Inoltre, gli IR-FEL forniscono un numero molto elevato di fotoni per un periodo di tempo prolungato. Ciò può essere sfruttato per depositare grandi quantità di energia nei campioni.
Dal 2013 il laser a elettroni liberi dell’FHI (FHI-FEL) fornisce una radiazione intensa e pulsata nell’infrarosso medio, continuamente sintonizzabile su lunghezze d’onda comprese tra 2,8 e 50 µm. Recentemente l’apparecchiatura è stata potenziata per includere un secondo ramo FEL progettato per generare radiazione nell’infrarosso lontano a lunghezze d’onda fino a 165 µm.
La struttura temporale della luce di un FEL è determinata dalla struttura temporale del fascio di elettroni da cui la luce viene generata. Per ottenere un funzionamento IR-FEL a due colori, il fascio di elettroni dell’FHI-FEL viene suddiviso in due fasci di elettroni che vengono accoppiati in due cavità ottiche separate con ondulatori sintonizzabili in modo indipendente. In questo modo, viene garantita la perfetta sincronizzazione dei due fasci di elettroni. Ciò si traduce in due FEL a infrarossi sintonizzabili indipendentemente, una configurazione unica al mondo.
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