I fisici dell'UCLA hanno aperto la strada a un metodo per creare una nuova molecola unica che potrebbe eventualmente avere applicazioni in medicina, scienze dell'alimentazione e altri campi. La loro ricerca, che mostra anche come le reazioni chimiche possono essere studiate su scala microscopica utilizzando strumenti della fisica, è riportato sul giornale Scienza .

Negli ultimi 200 anni, gli scienziati hanno sviluppato regole per descrivere le reazioni chimiche che hanno osservato, comprese le reazioni nel cibo, vitamine, farmaci e organismi viventi. Uno dei più onnipresenti è la "regola dell'ottetto, " che afferma che ogni atomo in una molecola prodotta da una reazione chimica avrà otto elettroni orbitanti esterni. (Gli scienziati hanno trovato eccezioni alla regola, ma queste eccezioni sono rare.)

Ma la molecola creata dal professore dell'UCLA Eric Hudson e dai suoi colleghi viola questa regola. Bario-ossigeno-calcio, o BaOCa+, è la prima molecola mai osservata dagli scienziati che è composta da un atomo di ossigeno legato a due diversi atomi di metallo.

Normalmente, un atomo di metallo (bario o calcio) può reagire con un atomo di ossigeno per produrre una molecola stabile. Però, quando gli scienziati dell'UCLA hanno aggiunto un secondo atomo di metallo al mix, una nuova molecola, BaOCa+, che non soddisfaceva più la regola dell'ottetto, era stato formato.

Altre molecole che violano la regola dell'ottetto sono state osservate in precedenza, ma lo studio dell'UCLA è tra i primi ad osservare una tale molecola utilizzando strumenti della fisica, vale a dire laser, trappole ioniche e trappole atomiche ultrafredde.

Il laboratorio di Hudson ha usato la luce laser per raffreddare piccole quantità di atomi e molecole reagenti a una temperatura estremamente bassa - un millesimo di grado sopra lo zero assoluto - e poi farle levitare in uno spazio più piccolo della larghezza di un capello umano, all'interno di una camera a vuoto. In queste condizioni altamente controllate, gli scienziati potrebbero osservare le proprietà degli atomi e delle molecole che altrimenti sarebbero nascoste alla vista, e gli "strumenti fisici" che usavano permettevano loro di contenere un campione di atomi e osservare le reazioni chimiche una molecola alla volta.

Le temperature ultra-fredde utilizzate nell'esperimento possono essere utilizzate anche per simulare la reazione come si verificherebbe nello spazio. Ciò potrebbe aiutare gli scienziati a capire come certe molecole complesse, compresi alcuni che potrebbero essere precursori della vita, è venuto ad esistere nello spazio, ha detto Hudson.

I ricercatori hanno scoperto che quando hanno riunito calcio e metossido di bario all'interno del loro sistema in condizioni normali, non avrebbero reagito perché gli atomi non riuscivano a trovare un modo per riorganizzarsi per formare una molecola stabile. Però, quando gli scienziati hanno usato un laser per cambiare la distribuzione degli elettroni nell'atomo di calcio, la reazione procedette rapidamente, producendo una nuova molecola, CaOBa+.

L'approccio fa parte di un nuovo sottocampo della chimica ispirato alla fisica che utilizza gli strumenti della fisica ultrafredda, come laser ed elettromagnetismo, osservare e controllare come e quando si verificano reazioni di singole particelle.

Prateek Puri, studente laureato dell'UCLA, il ricercatore capo del progetto, detto l'esperimento dimostra non solo come queste tecniche possono essere utilizzate per creare molecole esotiche, ma anche come possono essere usati per progettare reazioni importanti. La scoperta potrebbe infine essere utilizzata per creare nuovi metodi per conservare il cibo (prevenendo reazioni chimiche indesiderate tra cibo e ambiente) o sviluppare farmaci più sicuri (eliminando le reazioni chimiche che causano effetti collaterali negativi).

"Esperimenti come questi aprono la strada allo sviluppo di nuovi metodi per controllare la chimica, " ha detto Puri. "Stiamo essenzialmente creando 'sui pulsanti' per le reazioni".

Hudson ha detto che spera che il lavoro incoraggi altri scienziati a ridurre ulteriormente il divario tra fisica e chimica, e dimostrare che molecole sempre più complesse possono essere studiate e controllate. Ha aggiunto che una delle chiavi del successo del nuovo studio è stato il coinvolgimento di esperti di vari campi:fisici sperimentali, fisici teorici e un chimico fisico.

Un attore chiave nella ricerca si sta già affermando a Hollywood. Un dispositivo chiamato spettrometro di massa a tempo di volo integrato a trappola ionica, che è stato inventato dal laboratorio di Hudson e che è stato utilizzato per scoprire la reazione, è stato presentato in un recente episodio della sitcom "The Big Bang Theory".

"Il dispositivo ci consente di rilevare e identificare i prodotti delle reazioni a livello di singola particella, e per noi, è stato davvero un ponte tra chimica e fisica, " ha detto Michael Mills, uno studente laureato UCLA che ha lavorato al progetto. "Siamo stati felici di vederlo ripreso dallo spettacolo."