L'osservazione di una reazione chimica a livello molecolare in tempo reale è un tema centrale nella fisica chimica sperimentale. Un team di ricerca internazionale ha catturato per la prima volta frammenti molecolari vaganti. Il lavoro, sotto la supervisione di Heide Ibrahim, ricercatore associato presso l'Institut national de la recherche scientifique (INRS), è stato pubblicato sulla rivista Scienza .

Il gruppo di ricerca del Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications dell'INRS, con il sostegno del professor François Légaré, ha utilizzato la sorgente di luce laser avanzata (ALLS). Sono riusciti a girare il primo film molecolare di "roamers":frammenti di idrogeno, in questo caso, che orbitano attorno a frammenti di HCO) durante una reazione chimica studiando la foto-dissociazione della formaldeide, h ₂ CO.

Un road trip molecolare

"Ciò che vediamo in questa nuova scoperta è che, come in un viaggio on the road, l'obiettivo finale non è noto all'inizio, né il percorso è sempre diretto. Generalmente, molecole, come gli umani, seguire il percorso più semplice per arrivare dal punto A al punto B in modo da minimizzare l'energia spesa, " spiega Heide Ibrahim. "Tuttavia, a volte i viaggiatori possono decidere di fare una piccola deviazione." A quanto pare, lo stesso vale per i frammenti di molecole. Questo processo è chiamato roaming, ed è stato scoperto per la prima volta nelle molecole di formaldeide nel 2004. Da allora, tracce indirette di frammenti vaganti chiamati vagabondi sono state rilevate in molti sistemi molecolari.

Però, è solo di recente che il team del Dr. Ibrahim è stato in grado di "prenderli lungo la strada, " e li ha catturati in tempo reale. Questa è la prima osservazione diretta dello sfuggente fenomeno del roaming osservato fino ad oggi. "È come se, in seguito al ritrovamento di impronte di dinosauri, è stato scoperto un film che li mostrava mentre vagavano, "dice il ricercatore.

Mappare i frammenti

Oltre al roaming, c'è anche la dissociazione convenzionale, in cui la molecola si divide in frammenti su eccitazione da impulsi laser UV ultracorti. I frammenti possono raggiungere gli stessi prodotti finali seguendo percorsi diretti (dissociazione) o percorsi indiretti (roaming). "Per condurre questo lavoro, non si può semplicemente aspettare l'arrivo di un frammento al traguardo, poiché questo non fornisce alcuna informazione sulle dinamiche che ha subito. Era come se il road trip fosse stato fatto senza GPS e non potessimo ripercorrere il percorso fatto dai viaggiatori, "dice Heide Ibrahim. Per rimediare a questo, il team ha trovato un modo per identificare quale frammento ha seguito quale percorso posizionando punti di controllo lungo il percorso; questi agiscono un po' come torri cellulari che consentono di attivare un segnale in un punto specifico lungo il percorso.

Una delle numerose sfide negli esperimenti era legata al fatto che il segnale di queste molecole indecise avviene statisticamente. Immagina di voler scattare una foto di un viaggiatore sulla strada, ma tu hai solo il nome della strada e lui può passare in qualsiasi momento della settimana. Per aumentare la difficoltà, il segnale sperimentale è ultraveloce (sulla scala dei 100 femtosecondi, o 10 miliardi di volte meno di un millisecondo) mentre si estende su diversi ordini di grandezza nel tempo. Tomoyuki Endo, il primo autore dello studio, un ex post-doc dell'INRS ora al Kansai Photon Science Institute (Giappone), è stato in grado di seguire i "roamers" utilizzando una tecnica chiamata immagine risolta nel tempo dell'esplosione di Coulomb (CEI).

I team di Michael Schuurman (Consiglio nazionale delle ricerche, ottava), Paul Houston (Cornell University, Itaca, USA) e Joel Bowman (Emory University, Atlanta, U.S.) ha fornito un supporto teorico di alto livello in tutte le fasi sperimentali critiche.

"I risultati mostrano che la CEI risolta nel tempo può andare oltre l'imaging di dinamiche molecolari coerenti:qui, seguiamo processi statistici utilizzando laser ultraveloci da tavolo convenzionali, "dice il professor Légaré, direttore del laboratorio ALLS dove si sono svolti gli esperimenti. "Nel futuro prossimo, grazie ai progressi nei sistemi laser ad alto tasso di ripetizione, sarà possibile studiare molecole più complesse."

"Sebbene il roaming resti un processo sfuggente e difficile da comprendere, questa scoperta scientifica fornisce informazioni su come misurarlo, così come altri processi statistici che richiedono un rilevamento altamente sensibile di fronte a segnali di fondo dirompenti, "dice Heide Ibrahim. "In definitiva, questo potrebbe essere solo l'inizio di un altro viaggio tortuoso verso alcuni dei segreti di Madre Natura; il roaming è un processo il cui ruolo nella chimica ambientale e atmosferica è solo all'inizio di essere compreso."