Gli scienziati sono costantemente alla ricerca della fonte di cose come l'origine dell'universo, materia o vita. Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e diverse altre università, hanno dimostrato un modo per rilevare sperimentalmente l'aspetto più nascosto di tutte le reazioni chimiche, lo stato di transizione estremamente breve che si verifica al loro inizio. Questa scoperta fondamentale potrebbe diventare determinante per acquisire la capacità di prevedere e controllare esternamente i risultati dei processi chimici.

"Lo stato di transizione è fondamentale in tutta la chimica perché controlla i prodotti delle reazioni molecolari, " ha detto Kirill Prozument, autore principale e chimico nella divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne. Armati di una conoscenza più completa di alcune reazioni chimiche a partire dallo stato di transizione, i ricercatori potrebbero essere in grado di migliorare i processi industriali che comportano la produzione di enormi quantità di una sostanza chimica, risparmiando enormi quantità di energia e denaro, oltre a ridurre gli sprechi. Lo stesso principio potrebbe trovare applicazione anche nella sintesi di nuove, farmaci salvavita.

La vita di questa fase di transizione è breve, brevi quanto quadrilionesimi di secondo. Il problema è che non è stato possibile osservare sperimentalmente la struttura di questo stato fugace o anche estrarre dettagli sufficienti su di esso indirettamente dai prodotti chimici da esso creati, fino ad ora.

"I fisici non possono osservare direttamente il Big Bang, accaduto quasi 14 miliardi di anni fa, o lo stato di transizione che ha portato alla formazione del nostro universo, " ha spiegato Prozument. "Ma possono misurare vari messaggeri rimasti dal Big Bang, come l'attuale distribuzione della materia, e quindi scoprire molte cose sull'origine e l'evoluzione del nostro universo. Un principio simile vale per i chimici che studiano le reazioni."

Al centro di questo risultato c'è la tecnica sperimentale del team, spettroscopia a onde millimetriche a impulsi cinguettanti, che consente la caratterizzazione di più stati di transizione in competizione sulla base delle molecole vibrazionalmente eccitate che risultano nell'immediato seguito di una reazione. Questa tecnica non ha rivali nella sua precisione nel determinare la struttura molecolare e nel risolvere le transizioni che hanno origine da diversi livelli di energia vibrazionale delle molecole del prodotto.

Molte mani hanno contribuito al perfezionamento di questa tecnica sperimentale per ampliare la sua portata dal microonde alla regione millimetrica, tra cui Prozument e Robert Field, il professore di chimica Robert T. Haslam e Bradley Dewey al MIT e l'autore senior dello studio.

Con questa potente tecnica, il team ha analizzato la reazione tra il cianuro di vinile e la luce ultravioletta prodotta da uno speciale laser, che forma vari prodotti contenenti idrogeno, carbonio e azoto. Sono stati in grado di misurare le energie vibrazionali associate alle molecole del prodotto di nuova formazione e alle frazioni di molecole a vari livelli vibrazionali. Il primo indica le ampiezze di cui gli atomi all'interno di una molecola si muovono l'uno rispetto all'altro. Quest'ultimo fornisce informazioni sulla geometria dei gruppi di atomi allo stato di transizione mentre stanno dando vita a una molecola di prodotto, in questo caso, l'entità dell'eccitazione di flessione nell'angolo di legame tra l'idrogeno, atomi di carbonio e azoto. Sulla base delle loro misurazioni, il team ha identificato due stati di transizione che governano i diversi percorsi attraverso i quali la molecola di acido cianidrico (HCN) prende vita dalla reazione.

"Il nostro lavoro dimostra che la tecnica sperimentale funziona in linea di principio, " Prozument dice. "Il prossimo passo sarà applicarlo a reazioni più complesse e molecole diverse." Il lavoro del team potrebbe quindi un giorno avere un impatto importante nel campo della chimica.

Il documento intitolato "Stati di transizione di fotodissociazione caratterizzati da spettroscopia a onde millimetriche di impulsi a impulsi" è apparso il 7 gennaio, numero 2020 del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .