Un gruppo di ricerca dell'Università di Tokyo ha introdotto un metodo potente per rompere attivamente i legami chimici utilizzando eccitazioni in minuscole antenne create da laser a infrarossi. Questo processo può avere applicazioni in tutta la chimica come un modo per dirigere le reazioni chimiche nelle direzioni desiderate. In particolare, le reazioni usate nell'energia, farmaceutico, e i settori manifatturieri possono diventare molto più efficienti aumentando i raccolti e riducendo gli sprechi.

La chimica è un'impresa disordinata, poiché ci possono essere una varietà di modi in cui le sostanze chimiche di partenza possono reagire, e ogni percorso potrebbe portare alla formazione di un prodotto diverso. Negli anni, i chimici hanno sviluppato molti strumenti, tra cui la modifica della temperatura, concentrazione, pH, o solvente, per spingere la reazione per massimizzare la resa delle molecole desiderate.

Però, se data la capacità di controllare selettivamente la creazione o la rottura dei singoli legami all'interno di una molecola, gli scienziati potrebbero migliorare notevolmente l'efficienza di queste reazioni, riducendo al minimo i prodotti collaterali indesiderati. "Essere in grado di controllare le reazioni chimiche a livello molecolare, cioè, la capacità di rompere o formare selettivamente legami chimici, è un obiettivo importante per i chimici fisici, " dice il primo autore Ikki Morichika.

Un modo per controllare quali legami si rompono durante una reazione chimica è far vibrare le molecole eccitandole con luce laser a infrarossi. Poiché ogni tipo di legame chimico assorbe una particolare lunghezza d'onda della luce, possono essere attivati ​​singolarmente. Sfortunatamente, è difficile fornire energia sufficiente in tutto il campione per generare l'intensità di vibrazione richiesta. Il team dell'Università di Tokyo è stato in grado di superare questo problema fabbricando minuscole antenne d'oro, ciascuna larga appena 300 nanometri, e illuminandoli con laser a infrarossi. Quando era presente luce infrarossa della giusta frequenza, gli elettroni nelle antenne oscillavano avanti e indietro in risonanza con le onde luminose, che ha creato un campo elettrico molto intenso.

Questo fenomeno è chiamato "risonanza plasmonica, " e richiede che le antenne siano della giusta forma e dimensione. La risonanza plasmonica ha focalizzato l'energia del laser sulle molecole vicine, che ha iniziato a vibrare. La vibrazione è stata ulteriormente potenziata modellando la forma d'onda del laser a infrarossi in modo che la frequenza cambiasse rapidamente nel tempo, ricorda il cinguettio degli uccelli. "Questo ha dimostrato con successo che la combinazione di ottica ultraveloce e nano-plasmonica è utile per un efficiente, eccitazione vibrazionale selettiva, ", afferma l'autore senior Satoshi Ashihara.

Nel futuro, questa tecnica può essere applicata alla produzione di combustibili più puliti o prodotti farmaceutici più economici man mano che i processi chimici vengono ottimizzati.