Regole della meccanica quantistica. Detta come le particelle e le forze interagiscono, e quindi come funzionano gli atomi e le molecole, ad esempio cosa succede quando una molecola passa da uno stato ad alta energia ad uno a bassa energia. Ma al di là delle molecole più semplici, i dettagli diventano molto complessi.

"La meccanica quantistica descrive come funziona tutta questa roba, ", ha affermato Paul Hockett del National Research Council of Canada. "Ma non appena si va oltre il problema dei due corpi, non puoi risolvere le equazioni." Quindi, i fisici devono fare affidamento su simulazioni ed esperimenti al computer.

Ora, lui e un team internazionale di ricercatori dal Canada, il Regno Unito e la Germania hanno sviluppato una nuova tecnica sperimentale per acquisire immagini 3D di molecole in azione. Questo strumento, Egli ha detto, può aiutare gli scienziati a comprendere meglio la meccanica quantistica alla base di molecole più grandi e complesse.

Il nuovo metodo, descritto in Il Giornale di Fisica Chimica , combina due tecnologie. La prima è una fotocamera sviluppata all'Università di Oxford, chiamata fotocamera per spettrometria di massa pixel-imaging (PImMS). La seconda è una sorgente di luce ultravioletta sotto vuoto a femtosecondi costruita presso i femtolabs NRC di Ottawa.

La spettrometria di massa è un metodo utilizzato per identificare composti sconosciuti e per sondare la struttura delle molecole. Nella maggior parte dei tipi di spettrometria di massa, una molecola viene frammentata in atomi e molecole più piccole che vengono poi separate in base al peso molecolare. Nella spettrometria di massa a tempo di volo, Per esempio, un campo elettrico accelera la molecola frammentata. La velocità di quei frammenti dipende dalla loro massa e carica, così per pesarli, si misura quanto tempo impiegano a colpire il rilevatore.

La maggior parte dei rilevatori di immagini convenzionali, però, non può discernere esattamente quando colpisce una particolare particella. Per misurare i tempi, i ricercatori devono utilizzare metodi che agiscano efficacemente come serrande, che lasciano passare le particelle in un breve periodo di tempo. Sapere quando l'otturatore è aperto fornisce le informazioni sul tempo di volo. Ma questo metodo può misurare solo particelle della stessa massa, corrispondente al breve tempo di apertura della serranda.

La fotocamera PIMMS, d'altra parte, può misurare particelle di più masse tutte in una volta. Ogni pixel del rilevatore della telecamera può cronometrare quando una particella lo colpisce. Quelle informazioni temporali producono una mappa tridimensionale delle velocità delle particelle, fornendo un'immagine tridimensionale dettagliata del modello di frammentazione della molecola.

Per sondare le molecole, i ricercatori hanno utilizzato questa fotocamera con un laser ultravioletto sottovuoto a femtosecondi. Un impulso laser eccita la molecola in uno stato di energia superiore, e proprio mentre la molecola inizia la sua evoluzione quantomeccanica, dopo poche dozzine di femtosecondi, viene sparato un altro impulso. La molecola assorbe un singolo fotone, un processo che lo fa cadere a pezzi. La fotocamera PIMMS scatta quindi un'immagine 3D dei detriti molecolari.

Lanciando un impulso laser in tempi sempre più successivi su molecole eccitate, i ricercatori possono utilizzare la fotocamera PImMS per scattare istantanee di molecole in varie fasi mentre cadono in stati di energia inferiore. Il risultato è una serie di immagini 3D dettagliate di una molecola che cambia stato.

I ricercatori hanno testato il loro approccio su una molecola chiamata C2F3I. Sebbene sia una molecola relativamente piccola, si è frammentato in cinque prodotti diversi nei loro esperimenti. Il software di analisi e dati è disponibile online come parte di un'iniziativa di scienza aperta, e sebbene i risultati siano preliminari, Hockett ha detto, gli esperimenti dimostrano la potenza di questa tecnica.

"È effettivamente una tecnologia che consente di eseguire effettivamente questo tipo di esperimenti, " ha detto Hockett. Ci vogliono solo poche ore per raccogliere il tipo di dati che richiederebbero alcuni giorni utilizzando metodi convenzionali, consentendo esperimenti con molecole più grandi che prima erano impossibili.

Quindi i ricercatori possono rispondere meglio a domande come:come funziona la meccanica quantistica in grandi, sistemi più complessi? Come si comportano e come si evolvono le molecole eccitate?

"Le persone hanno cercato di capire queste cose fin dagli anni '20, " Ha detto Hockett. "E 'ancora un campo di indagine molto aperto, ricerca, e dibattito perché le molecole sono davvero complicate. Dobbiamo continuare a cercare di capirli".