Una scoperta inaspettata nel laboratorio di chimica del professor Arthur Suits potrebbe avere implicazioni per la produzione di celle solari più efficienti e il miglioramento delle terapie fotodinamiche per il trattamento del cancro, e può contribuire alla ricerca sull'informatica quantistica. Al centro della scoperta c'è lo spin degli elettroni. Le molecole sono non magnetiche o magnetiche a seconda che due elettroni siano accoppiati con spin opposti o non appaiati con gli stessi spin. Le molecole possono passare da forme magnetiche a forme non magnetiche o viceversa in un processo chiamato capovolgimento di uno spin, ma Suits dice che il processo è inefficiente e avviene lentamente.

"È noto che se una molecola non magnetica assorbe la luce, spesso si passa alla forma magnetica, e quella forma vivrà a lungo e lentamente emanerà luce, " dice. "Si sa anche che in una reazione chimica, puoi iniziare con forme magnetiche, e quando reagiscono diventano non magnetici. Ma è un processo inefficiente che non avviene facilmente, e generalmente accade raramente nelle reazioni chimiche."

Quello che Suits e il suo team hanno scoperto è che le inversioni di spin tra forme magnetiche e non magnetiche possono avvenire in modo molto efficiente nel corso di una reazione chimica poiché i prodotti si separano dopo la reazione se sono due "radicali", molecole con almeno un elettrone spaiato ciascuna.

Teoria contro esperimento

"Per mostrare questo, abbiamo condotto un esperimento di dispersione in cui due fasci molecolari di reagenti, un ossigeno atomico e le altre alchilammine, vengono incrociati all'interno di una camera sottovuoto per formare prodotti rilevati con un laser, " Suits dice. "Quando questi si uniscono, formano una molecola intermedia che vive a lungo prima di separarsi. La teoria dice che se rimane nella forma magnetica di partenza, non può vivere a lungo. Il risultato mostra che cambia in non magnetico durante la reazione."

Per risolvere il problema, Suits e i suoi colleghi, il borsista post-dottorato Hongwei Li e il dottorando Alexander Kamasah, collaborato con un collega della Temple University, Spiridoula Matsika, un professore di teoria computazionale, che ha eseguito calcoli sofisticati per esaminare la probabilità di transizioni da forme magnetiche a forme non magnetiche. Hanno scoperto che gli spin flip in questa reazione si verificano molto più velocemente del previsto, in appena mezzo picosecondo, o mezzo di un trilionesimo di secondo. L'aspetto sorprendente è che questo accade dopo che la reazione è finita, mentre i prodotti indugiano insieme.

"I ricercatori ora sapranno che una volta che queste grandi molecole iniziano a dissociarsi, un possibile risultato è che possono cambiare da forme magnetiche a forme non magnetiche, " dice Suits. "Tutti pensano che questo sia un processo lento, ma dimostriamo che non è sempre un processo lento, e di conseguenza può accadere durante una reazione chimica transitoria."

Suits e il suo team affermano che la comprensione di questo comportamento è fondamentale per campi dalla fisica chimica alla biologia chimica, con applicazioni nella scienza dei materiali, fotonica molecolare, fotosensibilizzanti, e terapia fotodinamica per il cancro.

Il finanziamento per la ricerca è stato fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, e la Fondazione Nazionale della Scienza. Lo studio, "Intersystem Crossing in the Exit Channel" è stato pubblicato in Chimica della natura .