I microscopi ottici hanno rivoluzionato la nostra comprensione del microcosmo, ma la loro risoluzione è limitata a circa 100 nanometri. Per vedere come le molecole si legano, rottura, o modificarne la struttura, abbiamo bisogno di una risoluzione almeno 1000 volte migliore.

La diffrazione elettronica indotta dal laser (LIED) è una tecnica che permette di individuare i singoli atomi all'interno di una singola molecola, e vedere dove si muove ogni atomo quando la molecola subisce una reazione. Questa tecnica si è rivelata uno strumento straordinario per le molecole di imaging, come l'acqua, solfuro di carbonile o disolfuro di carbonio. Però, l'utilizzo di un forte campo laser per generare la diffrazione elettronica ha presentato sfide nel recupero della struttura esatta, poiché la risoluzione strutturale dipendeva dall'esatta conoscenza del campo laser stesso.

In uno studio recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , I ricercatori ICFO Aurelien Sanchez, Kasra Amini, Tobias Steinle, Xinyao Liu, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Jens Biegert, in collaborazione con ricercatori della Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, e Friedrich-Schiller-Universität Jena, hanno riferito su un approccio alternativo e nuovo che recupera informazioni accurate e precise sulla struttura atomica senza una conoscenza esatta del campo laser. Hanno applicato con successo il metodo all'imaging di molecole in fase gassosa di solfuro di carbonile (OCS), in particolare sulle lunghezze di legame tra gli atomi costituenti, che mostra una configurazione piegata e allungata in modo asimmetrico dell'OCS . ionizzato ⁺ struttura.

Determinazione dei legami atomici del solfuro di carbonile

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno preso una miscela di gas all'1% di OCS in elio e l'hanno espansa in modo supersonico per creare un fascio molecolare del gas con una temperatura inferiore a 90K. Hanno quindi preso un laser da 3,2 μm ed esposto la molecola al forte campo laser. L'interazione tra il laser e la molecola ha prodotto un elettrone accelerato, che è stato rilasciato dalla molecola, accelerato nel campo laser e restituito allo ione bersaglio dal campo elettrico del laser; la ri-collisione dell'elettrone con la struttura ionica ha generato un'impronta molecolare della struttura e, estraendo queste informazioni dal modello di interferenza elettronica e dall'analisi dell'angolo di scattering, gli scienziati sono stati in grado di determinare la corretta struttura della molecola.

Novità dell'approccio

Chiamato ZCP-LIED, la novità di questo approccio risiede nel fatto che gli scienziati hanno escogitato un modo molto intelligente per recuperare le informazioni atomiche utilizzando le informazioni complete sulla diffusione degli elettroni 2D, principalmente gli spettri dell'energia e dell'angolo di diffusione dell'elettrone nel telaio del laboratorio anziché nel telaio del laser, che ha drasticamente migliorato le statistiche dei risultati. Oltre a utilizzare dati 2D invece di informazioni 1D, hanno anche identificato una caratteristica distintiva negli spettri relativa a quelle che hanno chiamato le posizioni del punto di attraversamento dello zero (ZCP) (dove il segnale di interferenza ha mostrato un valore nullo). Svolgendo l'analisi su questi punti critici, gli scienziati sono stati in grado di ottenere da un set di dati molto più piccolo informazioni più precise sulle lunghezze di legame degli atomi che compongono la molecola, riducendo notevolmente i tempi di calcolo.

Per la convalida del loro approccio, hanno usato vari metodi, li ha confrontati con simulazioni teoriche di chimica quantistica e ha dimostrato che la loro tecnica ZCP-LIED potrebbe ottenere distanze internucleari con una precisione molto più elevata, potrebbe misurare distanze di legame di lunghezza simile (cosa piuttosto impossibile da fare con i metodi precedenti), che evitava di convertire i quadri di riferimento, ed è stato in grado di determinare la struttura molecolare in ambienti in cui il rumore di fondo potrebbe essere considerevole. Tenendo conto di tutto ciò, hanno riferito di aver ottenuto le informazioni molecolari di molecole a 10 atomi, e in particolare, per il solfuro di carbonile, dove hanno visto che la molecola OCS ⁺ aveva una struttura notevolmente piegata e allungata asimmetricamente, diverso da quello che studi precedenti avevano determinato per questa molecola.

I risultati ottenuti da questo studio hanno dimostrato che la tecnica ZCP-LIED potrebbe essere uno strumento molto potente per determinare la struttura molecolare di molecole grandi e più complesse. Potrebbe anche essere esteso alla diffrazione elettronica ultraveloce (UED) e persino alla diffrazione a raggi X ultraveloce (UXD) per tracciare le molecole della struttura geometrica in una fase transitoria.