La reazione chimica più fredda nell'universo conosciuto ha avuto luogo in quello che sembra essere un caos caotico di laser. L'apparenza inganna:nel profondo di quel caos scrupolosamente organizzato, a temperature milioni di volte più fredde dello spazio interstellare, Kang-Kuen Ni ha compiuto un'impresa di precisione. Costringendo due molecole ultrafredde ad incontrarsi e reagire, ha rotto e formato i legami più freddi nella storia degli accoppiamenti molecolari.

"Probabilmente nei prossimi due anni, siamo l'unico laboratorio che può farlo, " disse Ming Guang Hu, uno studioso post-dottorato nel laboratorio Ni e primo autore del loro articolo pubblicato oggi in Scienza . Cinque anni fa, Ni, il Morris Kahn Professore Associato di Chimica e Biologia Chimica e pioniere della chimica ultrafredda, deciso di costruire un nuovo apparato in grado di ottenere le reazioni chimiche a temperatura più bassa di qualsiasi tecnologia attualmente disponibile. Ma non potevano essere sicuri che la loro complessa ingegneria avrebbe funzionato.

Ora, non solo hanno eseguito la reazione più fredda finora, hanno scoperto che il loro nuovo apparato può fare qualcosa che non avevano previsto. In un freddo così intenso - 500 nanokelvin o solo pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto - le loro molecole hanno rallentato a tali velocità glaciali, Ni e il suo team hanno potuto vedere qualcosa che nessuno è stato in grado di vedere prima:il momento in cui due molecole si incontrano per formare due nuove molecole. In sostanza, hanno catturato una reazione chimica nel suo atto più critico e sfuggente.

Le reazioni chimiche sono responsabili letteralmente di tutto:respirazione, cucinando, digerire, creare energia, prodotti farmaceutici, e prodotti per la casa come il sapone. Così, capire come funzionano a un livello fondamentale potrebbe aiutare i ricercatori a progettare combinazioni che il mondo non ha mai visto. Con un numero quasi infinito di nuove combinazioni possibili, queste nuove molecole potrebbero avere infinite applicazioni, dalla produzione di energia più efficiente a nuovi materiali come pareti a prova di muffa e blocchi di costruzione ancora migliori per i computer quantistici.

Nel suo lavoro precedente, Ni ha usato temperature sempre più fredde per operare questa magia chimica:forgiare molecole da atomi che altrimenti non avrebbero mai reagito. Raffreddato a tali estremi, atomi e molecole rallentano fino a un passo quantico, il loro stato energetico più basso possibile. Là, Il Ni può manipolare le interazioni molecolari con la massima precisione. Ma anche lei poteva vedere solo l'inizio delle sue reazioni:entrano due molecole, ma poi cosa? Quello che è successo nel mezzo e alla fine è stato un buco nero che solo le teorie potrebbero tentare di spiegare.

Le reazioni chimiche avvengono in appena milionesimi di miliardesimo di secondo, meglio conosciuti nel mondo scientifico come femtosecondi. Anche la tecnologia più sofisticata di oggi non può catturare qualcosa di così breve, anche se alcuni si avvicinano. Negli ultimi vent'anni, gli scienziati hanno utilizzato laser ultraveloci come fotocamere ad azione rapida, scattare immagini rapide delle reazioni mentre si verificano. Ma non possono catturare l'intera immagine. "La maggior parte delle volte, "Ni ha detto, "vedi solo che i reagenti scompaiono e i prodotti appaiono in un tempo che puoi misurare. Non c'era una misurazione diretta di ciò che è realmente accaduto in queste reazioni chimiche". Fino ad ora.

Le temperature ultrafredde di Ni forzano le reazioni a una velocità relativamente insensibile. "Perché [le molecole] sono così fredde, "Ni ha detto, "Ora abbiamo una specie di effetto collo di bottiglia." Quando lei e il suo team hanno reagito con due molecole di rubidio di potassio, scelte per la loro flessibilità, le temperature ultrafredde hanno costretto le molecole a indugiare nella fase intermedia per microsecondi. I microsecondi, solo milionesimi di secondo, possono sembrare brevi, ma è milioni di volte più lungo del solito e abbastanza da permettere a Ni e al suo team di indagare sulla fase in cui i legami si rompono e si formano, in sostanza, come una molecola si trasforma in un'altra.

Con questa visione intima, Ni ha detto che lei e il suo team possono testare teorie che prevedono cosa succede nel buco nero di una reazione per confermare se hanno capito bene. Quindi, il suo team può elaborare nuove teorie, utilizzando dati reali per prevedere con maggiore precisione cosa accade durante altre reazioni chimiche, anche quelli che si svolgono nel misterioso regno quantico.

Già, il team sta esplorando cos'altro possono imparare nel loro banco di prova ultrafreddo. Prossimo, Per esempio, potrebbero manipolare i reagenti, eccitarli prima che reagiscano per vedere come la loro maggiore energia influisce sul risultato. O, potrebbero persino influenzare la reazione mentre si verifica, spingendo una molecola o l'altra. "Con la nostra controllabilità, questa finestra temporale è abbastanza lunga, possiamo sondare, " disse Hu. "Ora, con questo apparato, possiamo pensare a questo. Senza questa tecnica, senza questa carta, non possiamo nemmeno pensare a questo."