I ricercatori dell'Università di Regensburg seguono il primo passo nella reazione di un singolo pigmento colorante con l'ossigeno a una risoluzione senza precedenti.

Perché i colori di una t-shirt sbiadiscono nel tempo al sole? Perché ti scotti il ​​sole, e perché le foglie di un albero diventano marroni in autunno? Queste domande hanno tutte un tema in comune:l'interazione tra pigmenti coloranti e ossigeno ambientale. Ogni bambino apprende questa reazione chimica a scuola, che è il processo di ossidazione nell'aria che respiriamo. Quindi cosa potrebbe essere lasciato alla ricerca?

L'ossigeno è una molecola sorprendente in quanto magnetica. In forma liquida, a temperature molto basse, può essere raccolto da un magnete proprio come la limatura di ferro. Questa proprietà è correlata agli elettroni nell'ossigeno. Tutte le molecole sono costituite da nuclei atomici ed elettroni, che si comportano come minuscoli aghi di un compasso. Generalmente, questi aghi si dispongono a coppie puntando in direzioni opposte in modo che le loro forze magnetiche si annullino. In una molecola di ossigeno costituita da due atomi di ossigeno, però, i due aghi della bussola puntano nella stessa direzione, rendere magnetico l'ossigeno.

molecole di colorante, come quelli usati per colorare una t-shirt, non sono magnetici perché gli aghi della bussola degli elettroni puntano in direzioni opposte. Quando la luce risplende su una tale molecola, un certo colore della luce sarà assorbito, conferendo al colorante il suo aspetto caratteristico. In questo processo di assorbimento della luce, l'energia della luce viene trasferita a un elettrone nella molecola del colorante, rompendo l'accoppiamento originale di due elettroni e permettendo all'ago della bussola dell'elettrone eccitato di cambiare spontaneamente il suo allineamento. Quando questo processo avviene, l'elettrone non può più tornare al suo stato originale. La molecola del colorante diventa magnetica, entrando in quello che viene definito uno "stato di tripletta".

Un team di ricerca internazionale diretto dal Prof. Jascha Repp è ora riuscito a rivelare come questa energia tripletta viene trasferita da una singola molecola di colorante a una singola molecola di ossigeno. Questo processo è parte integrante della vita quotidiana, dove molte reazioni di ossidazione procedono attraverso lo stato di tripletto eccitato. Finché la molecola risiede in questo stato, trattiene l'energia impartitagli dalla luce, facilitando così le reazioni chimiche. La maggior parte delle reazioni chimiche, come la combustione, richiedono una certa energia iniziale come una scintilla per iniziare.

Una completa dissipazione dell'energia all'interno della molecola del colorante richiede un'altra inversione dell'allineamento dell'ago della bussola elettronica, che è un processo lento e improbabile. In alternativa, l'energia luminosa all'interno della molecola colorante, che corrisponde a un'energia magnetica, può semplicemente trasferirsi a un'altra molecola magnetica, come l'ossigeno, un processo molto simile a capovolgere un magnete a barra ruotandone un altro nelle vicinanze. Questo trasferimento di energia diseccita la molecola del colorante, ma tende a rendere la molecola di ossigeno stessa altamente reattiva, distruggendo infine la molecola del colorante. Questo effetto può essere visto in t-shirt sbiancate o scottature solari, dove le molecole di colorante sono i pigmenti della pelle.

Il team è riuscito a monitorare questo trasferimento di energia tra il colorante e la molecola di ossigeno direttamente nello spazio, senza distruggere la molecola del colorante. Per fare questo, singole molecole sono state poste su una superficie e raffreddate a temperature molto basse vicine a quelle dell'universo. Utilizzando un cosiddetto "microscopio a forza atomica" costituito da un ago molto sottile con un solo atomo alla punta, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare i singoli atomi della molecola di colorante scansionando la punta attraverso di essa. Applicando una sequenza di impulsi elettrici alla molecola del colorante, potrebbero guidarlo nello stato di tripletta magnetica in modo controllato. Il trasferimento di energia da questo stato di tripletto eccitato alle molecole di ossigeno vicine è stato quindi monitorato nel tempo misurando minuscoli cambiamenti nella forza che agisce sulla punta.

Questo nuovo approccio, segnalato in Scienza , ha permesso ai ricercatori di sondare molte diverse geometrie della disposizione della molecola del colorante e dell'ossigeno. In questo modo, l'interazione tra le disposizioni molecolari a livello atomico e la velocità con cui avviene tale trasferimento di energia potrebbe essere risolta per la prima volta. Gli scienziati ora mirano a essere finalmente in grado di formulare un quadro microscopico sottostante delle reazioni di ossidazione fondamentali. Oltre allo scomodo scolorimento delle magliette, tale interazione tra eccitazioni di triplette molecolari è di importanza centrale per una serie di sviluppi tecnologici, come nei diodi organici a emissione di luce (OLED) e nelle celle solari organiche, nella conversione dell'energia fotocatalitica e nella fotosintesi, e nella terapia fotodinamica del cancro.