In questo articolo Indice dei contenuti 2 sezioni
I raggi X ultraveloci hanno permesso di osservare per la prima volta come una molecola trasforma la luce assorbita in movimento, e lo fa in tempi che sfuggono a qualsiasi intuizione umana: pochi milionesimi di miliardesimo di secondo. Un gruppo di ricercatori ha seguito questo processo atomo per atomo, scoprendo che ogni singolo atomo racconta una parte diversa della trasformazione. Il risultato apre una finestra nuova e piuttosto affascinante sulla chimica guidata dalla luce.
Il lavoro è stato realizzato allo European XFEL, la struttura che genera impulsi di raggi X estremamente rapidi e luminosi. Grazie a questi lampi, gli studiosi hanno potuto inseguire i cambiamenti che avvengono in punti specifici della molecola mentre l’energia assorbita viene rilasciata e ridistribuita. Un dettaglio interessante emerso dallo studio riguarda il fatto che l’esposizione alla luce può rendere un atomo più sensibile ai movimenti di quelli vicini.
Come l’energia viaggia dentro una molecola
Al centro dell’esperimento c’è la 3-fluoropiridina, una piccola molecola ad anello che contiene sia azoto sia fluoro. Quando assorbe l’energia di un breve impulso laser ultravioletto, i suoi elettroni salgono a uno stato energetico più alto. A quel punto la molecola si piega rapidamente, abbandonando la sua struttura normalmente piatta.
Durante questa trasformazione attraversa quella che i ricercatori chiamano intersezione conica, un punto di passaggio breve ma decisivo. Qui i movimenti degli elettroni e dei nuclei atomici si accoppiano in modo molto stretto. Sono proprio questi incroci a permettere all’energia di spostarsi velocemente tra il moto elettronico e quello strutturale, e per questo giocano un ruolo importante in tante reazioni innescate dalla luce. Superata questa zona, la molecola torna al suo stato fondamentale e l’energia elettronica in eccesso si converte in vibrazioni che percorrono l’intera struttura.
La cosa curiosa è che questa conversione produce segnali diversi a seconda del punto della molecola. L’atomo di fluoro si è comportato come un indicatore piuttosto chiaro di come le vibrazioni si rilassano nel tempo. L’azoto, invece, ha raccontato una storia più complicata: avendo avuto un ruolo più diretto nell’eccitazione elettronica iniziale, il suo segnale riflette sia la ridistribuzione degli elettroni sia il cambiamento della struttura.
“Ora possiamo vedere che non tutti i siti atomici raccontano la stessa storia nei segnali che catturiamo dai nostri impulsi di raggi X”, spiega Antonio Picón dell’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, coautore dello studio. “Alcuni atomi ci dicono dove sta andando la carica, altri rivelano come vibra l’intera molecola.”
Ricostruire una trasformazione da un picosecondo
Per catturare tutto questo, il gruppo ha usato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X risolta nel tempo, chiamata tr-XPS, allo strumento Small Quantum Systems dello European XFEL. Prima un impulso laser ultravioletto ha portato energia alle molecole, poi un impulso di raggi X morbidi, sincronizzato con precisione, le ha ionizzate strappando elettroni profondamente legati agli atomi di azoto o di fluoro.
La misurazione è stata ripetuta facendo arrivare l’impulso di raggi X con ritardi diversi rispetto al laser iniziale. Registrando le energie degli elettroni rilasciati, i ricercatori sono riusciti a ricostruire come cambiava l’ambiente chimico attorno a ciascun atomo nell’arco di un paio di picosecondi, cioè milionesimi di miliardesimo di secondo. Simulazioni al computer avanzate e modelli teorici hanno poi aiutato a interpretare i segnali sperimentali e a collegarli ai cambiamenti elettronici e strutturali sottostanti.
Anche se l’esperimento si è concentrato su una molecola relativamente semplice, lo stesso metodo potrebbe funzionare su sistemi molto più complessi. Tra i possibili bersagli ci sono le molecole organiche funzionali, i mattoni di base delle biomolecole e i materiali pensati per catturare o trasferire l’energia della luce. Nel lungo periodo, capire questi meccanismi potrebbe aiutare a spiegare come il DNA resiste all’esposizione alla luce e come l’energia si muove nei materiali progettati per raccoglierla.
“Questo è ciò per cui è stato costruito lo European XFEL: osservare il cambiamento chimico dove inizia, in siti atomici precisi e sul suo tempo naturale”, afferma Daniel Rivas, ex scienziato dello strumento e oggi ricercatore ospite allo SQS, anche lui coautore. “Combinando la sensibilità multi sito con la risoluzione ai femtosecondi, stiamo aprendo una nuova finestra sui meccanismi microscopici che governano la fotochimica.”
