Gli ioni sono ovunque, dal nostro ambiente quotidiano alla distesa cosmica. Poiché il comune sale da cucina (NaCl) si dissolve in sodio (Na + ) e cloruro (Cl - ) ioni nell'acqua, conferisce un sapore salato. Una volta assorbiti dall'organismo, questi ioni regolano gli impulsi nervosi e i movimenti muscolari.
Nel sole, il plasma – un insieme di ioni allo stato gassoso – subisce reazioni di fusione nucleare, trasmettendo luce ed energia alla Terra. Uno degli usi più degni di nota degli ioni nella vita di tutti i giorni si trova nelle batterie agli ioni di litio, che alimentano dispositivi come smartphone, laptop e auto elettriche.
Di conseguenza, gli ioni svolgono un ruolo fondamentale in vari aspetti della nostra vita e la comprensione dei processi complessi, degli attributi strutturali e delle dinamiche degli ioni rimane cruciale per i progressi della scienza e della tecnologia. Tuttavia, catturare i momenti effimeri della formazione degli ioni e le relative transizioni strutturali molecolari, soprattutto nella fase gassosa, si è rivelato impegnativo a causa delle complessità sperimentali.
Guidati dal direttore Ihee Hyotcherl, i ricercatori del Center for Advanced Reaction Dynamics (CARD) dell'Institute for Basic Science (IBS) sono riusciti a catturare in tempo reale il processo di ionizzazione e i successivi cambiamenti strutturali nelle molecole in fase gassosa attraverso un mega-sistema potenziato Tecnica di diffrazione elettronica ultraveloce elettronvolt (MeV-UED), che consente l'osservazione di movimenti di ioni più rapidi e fini.
Il team del direttore Ihee vanta una lunga storia nel raggiungimento di traguardi rivoluzionari nella dinamica molecolare, come la rottura dei legami molecolari, l'inizio della nascita molecolare attraverso il legame chimico e l'esplorazione approfondita delle strutture molecolari a livello atomico attraverso l'intero pianeta. reazione chimica. Ora, per la prima volta, hanno condotto con successo osservazioni in tempo reale della formazione e dell'evoluzione strutturale degli ioni in fase gassosa.
Per raggiungere questo obiettivo, il team si è concentrato sui cationi di 1,3-dibromopropano (DBP). I dati sperimentali hanno svelato un fenomeno affascinante:il catione persisteva in uno stato strutturalmente stabile chiamato "stato oscuro" per circa 3,6 picosecondi (1 picosecondo equivale a un trilionesimo di secondo) dopo la sua formazione.
Questa nuova ricerca è pubblicata sulla rivista Nature .
Successivamente, il catione subì una trasformazione in un insolito intermedio con una struttura ad anello che comprende quattro atomi, compreso un atomo di bromo debolmente legato. Alla fine, l'atomo di bromo attaccato in modo lasco si disimpegna, dando origine a uno ione bromonio caratterizzato da una struttura ad anello comprendente tre atomi.
Data l’elevata reattività degli ioni, osservarne l’esistenza rappresenta da tempo una sfida significativa. Il successo di questa ricerca è dipeso dall'incorporazione di una tecnologia di elaborazione del segnale di nuova concezione e di una tecnica di analisi di modellazione per i cambiamenti strutturali. Un altro elemento importante è stata l'applicazione della tecnica di ionizzazione multifotone potenziata dalla risonanza (REMPI), che ha facilitato la produzione di massa di ioni specifici prevenendo al contempo la dissociazione casuale dei composti.
I risultati sperimentali hanno indicato che gli ioni del gas generato mantenevano una forma specifica prima di subire improvvise trasformazioni, il che ha permesso al team IBS di chiarire in definitiva la formazione di molecole a forma di anello chimicamente stabili.
Quindi, sfruttando l’innovativa tecnica di diffrazione elettronica ultraveloce mega-elettronvolt (MeV-UED), il gruppo di ricerca è riuscito a catturare con precisione i sottili cambiamenti strutturali negli ioni all’interno della fase gassosa. Questa tecnologia all'avanguardia ha offerto la risoluzione spaziale e temporale ad alta risoluzione necessaria per le esigenze di questa ricerca e ha consentito il monitoraggio meticoloso dell'intero processo dal momento della generazione degli ioni alle successive trasformazioni strutturali.
Essendo il primo a ottenere l'osservazione in tempo reale dei cambiamenti strutturali negli ioni generati selettivamente, questo studio è considerato un progresso sostanziale nella ricerca sulla chimica ionica. Questa ricerca rappresenta un risultato rivoluzionario nella comunità scientifica, segnando il primo caso di osservazione in tempo reale della dinamica strutturale degli ioni molecolari.
Facendo avanzare la nostra comprensione degli ioni nella fase gassosa, questa ricerca offre nuove prospettive in diversi campi, inclusi i meccanismi delle reazioni chimiche, le alterazioni delle proprietà dei materiali e il regno dell’astrochimica. L'impatto previsto si estende ben oltre la chimica ionica, influenzando varie discipline scientifiche e tecnologiche.
Il dottor Heo Jun, l'autore principale, ha affermato:"Questa scoperta rappresenta un progresso fondamentale nella nostra comprensione fondamentale della chimica degli ioni, pronto a influenzare profondamente la progettazione di diverse reazioni chimiche e la futura esplorazione dell'astrochimica."
Kim Doyeong, il primo autore e studente, ha condiviso le sue aspirazioni, ha dichiarato:"Contribuire a uno studio con il potenziale di gettare le basi per i progressi nella scienza di base è davvero gratificante. Mi impegno in sforzi di ricerca persistenti per evolvermi in uno scienziato esperto ."
Il professor Hyotcherl ha affermato:"Nonostante i notevoli progressi nella scienza e nella tecnologia, nel mondo materiale rimangono numerosi misteri accattivanti. Questa ricerca, pur svelando solo un altro enigma sugli ioni precedentemente non scoperti, sottolinea i profondi segreti che attendono la nostra esplorazione."
Ulteriori informazioni: Hyotcherl Ihee, Catturare la generazione e le trasformazioni strutturali degli ioni molecolari, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06909-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06909-5
Fornito da Institute for Basic Science
