I fisici che lavorano con Roland Wester presso l'Università di Innsbruck hanno studiato se e come le reazioni chimiche possono essere influenzate dall'eccitazione vibrazionale mirata dei reagenti. Sono stati in grado di dimostrare che l'eccitazione con un raggio laser non influisce sull'efficienza di una reazione di scambio chimico e che il gruppo molecolare eccitato agisce solo come spettatore nella reazione.

Una reazione frequentemente usata in chimica organica è la sostituzione nucleofila. Tra l'altro, svolge un ruolo importante nella sintesi di nuovi composti chimici o per biomolecole in soluzione ed è quindi di grande importanza industriale. In questa reazione, le particelle cariche incontrano le molecole e un gruppo molecolare viene sostituito da un altro. Per molto tempo, la scienza ha cercato di riprodurre questi processi all'interfaccia tra chimica e fisica in laboratorio e di comprenderli a livello atomico. Il team guidato dal fisico sperimentale Roland Wester presso l'Istituto di fisica ionica e fisica applicata dell'Università di Innsbruck è uno dei gruppi di ricerca leader a livello mondiale in questo campo.

Reazione di scambio protonico rafforzata

In un esperimento appositamente costruito, i fisici di Innsbruck hanno fatto scontrare le particelle cariche con le molecole nel vuoto ed hanno esaminato i prodotti della reazione. Per determinare se l'eccitazione vibratoria mirata ha avuto un impatto su una reazione chimica, gli scienziati hanno utilizzato un raggio laser che ha eccitato una vibrazione nella molecola. Nell'esperimento, sono stati utilizzati ioni fluoro caricati negativamente (F-) e molecole di ioduro di metile (CH3I). Nella collisione, a causa dello scambio di un legame iodio con un legame fluoro, si sono formati una molecola di fluoruro di metile e uno ione iodio caricato negativamente. Prima che le particelle si incontrassero, il laser ha eccitato le vibrazioni di stiramento carbonio-idrogeno nella molecola.

"Le nostre misurazioni mostrano che l'eccitazione laser non migliora la reazione di scambio, ", afferma la scienziata Jennifer Meyer. "Gli atomi di idrogeno sembrano semplicemente osservare la reazione". Il risultato è avvalorato dall'osservazione che una reazione in competizione aumenta fortemente. In quest'altra reazione di scambio protonico, un atomo di idrogeno viene strappato dalla molecola di ioduro di metile e si forma acido fluoridrico (HF). "Abbiamo lasciato che le due specie si scontrassero 20 volte al secondo, il laser viene applicato in ogni secondo collisione, e ripetiamo il processo milioni di volte, " spiega Meyer. "Ogni volta che il laser viene irradiato, questa reazione di scambio protonico viene drasticamente amplificata." I chimici teorici dell'Università di Szeged in Ungheria e dell'Università del New Mexico negli Stati Uniti hanno ulteriormente supportato i risultati sperimentali di Innsbruck utilizzando simulazioni al computer.

Nelle indagini di alta precisione dei processi chimici, solo il modello più semplice, la reazione di un atomo con una molecola biatomica, è stato studiato. "Qui, tutte le particelle sono inevitabilmente coinvolte nella reazione. Non ci sono osservatori", dice Roland Wester. "Il sistema che stiamo studiando è così grande che appaiono degli osservatori. Tuttavia è ancora abbastanza piccolo da poter studiare questi osservatori in modo molto preciso". Per molecole grandi, ci sono molte particelle che non sono direttamente coinvolte nella reazione. L'indagine sul loro ruolo è uno degli obiettivi a lungo termine dei ricercatori. Vogliono anche perfezionare l'esperimento in corso per scoprire ulteriori possibili effetti sottili.

Chimica controllata dal laser

Anche la questione se determinate reazioni possano essere intensificate dall'eccitazione mirata di singoli gruppi molecolari è una considerazione importante. "Se capisci qualcosa, puoi anche esercitare il controllo, " riassume Roland Wester. "Invece di stimolare una reazione attraverso il calore, può avere senso stimolare solo singoli gruppi di molecole per ottenere una reazione specifica, " aggiunge Jennifer Meyer. Questo può evitare processi di reazione concorrenti che sono un problema comune nella chimica industriale o nella ricerca biomedica. Più preciso è il controllo sulla reazione chimica, meno rifiuti vengono prodotti e minori sono i costi.

Il documento attuale è stato pubblicato sulla rivista Progressi scientifici . La ricerca è stata finanziata da, tra gli altri, l'Austrian Science Fund FWF e l'Accademia austriaca delle scienze.