Il Dipartimento di Chimica dell'Università di Princeton pubblica questa settimana una ricerca che dimostra che un campo magnetico applicato interagirà con la struttura elettronica di o diamagnetico, molecole per indurre un effetto di campo magnetico che, a loro conoscenza, non è mai stato documentato.

Con l'applicazione sperimentale di campi magnetici fino a 25 Tesla, molecole con poco magnetismo intrinseco presentano proprietà ottiche e fotofisiche magnetosensibili, secondo la carta, "Le correnti di anello modulano le proprietà optoelettroniche dei cromofori aromatici a 25 Tesla, " pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Gregory Scholes, il professore di chimica William S. Todd, e Bryan Kudisch, uno studente laureato del quinto anno e l'autore principale del documento, ha affermato che la scoperta potrebbe consentire agli scienziati di cambiare radicalmente le proprietà elettroniche e fotofisiche di alcune classi di molecole utilizzando il campo magnetico come "maniglia".

Sperimentando con un campo magnetico quasi 1M volte più forte di quello della Terra, i ricercatori del gruppo Scholes sono stati in grado di modificare le proprietà optoelettroniche dei cromofori organici non magnetici modello. Le modifiche, secondo la carta, derivano dall'induzione di correnti d'anello nelle molecole aromatiche.

"Nessuno si aspetterebbe che una molecola organica senza metallo e senza magnetismo intrinseco abbia un effetto di campo magnetico così evidente, " ha detto Kudisch. "Stiamo usando alcuni dei più grandi campi magnetici generati sulla terra, è giusto. Ma allo stesso tempo, stiamo vedendo qualcosa che non è mai stato visto prima. E poi per trovare una spiegazione adeguata che invochi un effetto del campo magnetico comunemente visto nella risonanza magnetica nucleare (NMR), vale a dire correnti ad anello aromatiche, è molto appagante".

Le correnti aromatiche dell'anello possono essere intese come la proposta che gli elettroni delocalizzati dall'aromaticità si muovano circolarmente quando viene applicato un campo magnetico perpendicolare al piano aromatico, tipicamente spingendo gli spostamenti chimici degli atomi vicini nella spettroscopia NMR.

"Questa ricerca mostra che si tratta di un fenomeno con implicazioni chimiche molto reali, " aggiunse Kudisch. "Ecco, abbiamo preso qualcosa che è comune in un tipo di spettroscopia e abbiamo mostrato come si trasforma in un modo completamente inaspettato usando i nostri metodi spettroscopici".

Per l'esperimento, i ricercatori hanno scelto un cromoforo aromatico modello chiamato ftalocianina, che ha una struttura molecolare simile alla clorofilla, l'assorbitore di luce naturale, ma con un maggiore assorbimento della luce visibile e una maggiore stabilità. I calcoli su questo composto modello di ftalocianina e i suoi aggregati hanno mostrato chiaramente, cambiamenti dipendenti dal campo magnetico alla capacità della ftalocianina di assorbire la luce. Questi risultati segnano i primi a dimostrare cambiamenti dipendenti dal campo magnetico nello spettro di assorbimento delle molecole diamagnetiche. Ma è stato solo quando i ricercatori hanno applicato l'analogo classico del solenoide che l'esperimento è diventato più chiaro.

Un solenoide è un dispositivo elettromagnetico che converte efficacemente l'energia elettrica e magnetica utilizzando anelli conduttivi di filo disposti come una molla. Con il loro pensiero fondato sul comportamento dei solenoidi, Kudisch ha detto, sono stati in grado di razionalizzare che l'aumento della sensibilità al campo magnetico che stavano osservando negli aggregati di ftalocianina potrebbe dipendere dalla disposizione relativa degli anelli di ftalocianina nell'aggregato.

"Non solo questo ha aggiunto ulteriore convalida al nostro supporto computazionale, ma ha anche dato credito a questa idea di correnti aromatiche ad anello accoppiate:le correnti ad anello dei cromofori di ftalocianina vicini nell'aggregato hanno una geometria dipendente dall'amplificazione della sensibilità del campo magnetico, " disse Kudisch. "Proprio come il solenoide."

Avviato tre anni fa, il progetto di ricerca ha combinato esperimenti utilizzando un campo magnetico elevato e capacità di spettroscopia ultraveloce. Parte di esso è stata eseguita con il magnete a elica Split-Florida presso la National High Magnetic Field Facility di Tallahassee, Florida, che vanta il magnete più potente al mondo per la spettroscopia NMR. Questo magnete unico nel suo genere può raggiungere e sostenere intensità di campo magnetico fino a 25 T in modo completamente resistivo, di per sé probabilmente il solenoide più potente del pianeta. Quando operativo, il magnete utilizza il 2% della potenza della città.

Scholes ha notato che PNAS carta segna la seconda pubblicazione del suo gruppo dal lavoro che utilizza il magnete a elica divisa della Florida, una collaborazione iniziata più di otto anni fa quando il magnete era in fase di progettazione. Il ruolo del suo gruppo era quello di proporre e progettare il sistema laser ultraveloce che si collega al magnete.

"È relativamente facile ottenere campi magnetici così elevati su un magnete NMR, ma i nostri esperimenti richiedono che tu prenda la luce e la faccia brillare sul campione e poi in qualche modo far uscire quella luce. E per questo, ci serviva il laboratorio a Tallahassee. È un mucchio di quasi impossibilità che si uniscono, " disse Kudisch.

Kudisch ha affermato che ottenere aggregati di ftalocianina sotto forma di nanoparticelle organiche per i loro esperimenti era "la parte più semplice, " a causa di precedenti collaborazioni con il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica di Princeton. Altri collaboratori sulla carta includono Politecnico di Milano, e l'Università Nazionale di Cordoba.

Globale, Egli ha detto, l'atmosfera "eclettica" delle indagini nello Scholes Lab ha contribuito al successo del progetto.

"Il contesto è questo laboratorio sta pensando ad alcuni dei problemi più urgenti della chimica fisica a cui nessuno ha pensato e sta cercando di capire se le idee che ci vengono in mente sono testabili, " disse Kudisch. "Quando ti ci immergi davvero, quello che ci interessa è quanto in profondità possiamo andare nella tana del coniglio della spettroscopia ultraveloce, e cosa può permetterci di imparare in una varietà di campi diversi."