In una pietra miliare per lo studio di una classe di reazioni chimiche rilevanti per nuove celle solari e dispositivi di memoria, un team internazionale di ricercatori che lavorano presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha utilizzato un laser a raggi X per osservare la "respirazione molecolare" - onde di sottili movimenti di atomi in entrata e in uscita - in tempo reale e dettagli senza precedenti.

Queste increspature di movimento, visto con Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, ha permesso al team di studiare come l'energia viene scambiata tra luce ed elettroni e porta alla tensione e infine al movimento degli atomi in una molecola a base di ferro che è un modello per trasformare la luce in energia elettrica e minuscoli magneti molecolari commutabili.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , il gruppo di ricerca ha detto che questi ad alta fedeltà, le misurazioni in tempo reale della ridistribuzione dell'energia ultraveloce possono fornire informazioni chiave per comprendere la funzione di molte sostanze chimiche, fenomeni fisici e biologici indotti dalla luce.

"È un salto significativo nella sensibilità agli esperimenti che ora ci consente di vedere di più su ciò che sta accadendo, "dice Diling Zhu, scienziato dello staff dello SLAC. "Stiamo ingrandendo i dettagli delle molecole man mano che otteniamo una risoluzione sempre migliore sia nello spazio che nel tempo".

La molecola che hanno studiato consiste in un atomo di ferro centrale attaccato a tre strutture a doppio anello note come bipiridine.

Per vederlo "respirare, "Gli scienziati hanno prima colpito la molecola con la luce laser e hanno immediatamente seguito con un impulso laser a raggi X per esaminare eventuali cambiamenti avvenuti.

La luce laser ha eccitato un elettrone nell'atomo di ferro centrale, che è stato trasferito in una delle strutture bipiridiniche attaccate. Quando l'elettrone ritorna all'atomo di ferro per 100 femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo, dopo, capovolse il magnetismo del ferro. Ciò ha causato l'espansione della molecola, innescando un'oscillazione simile a un respiro attraverso l'intera struttura.

Precedenti misurazioni in esperimenti con laser ottici avevano indirettamente rivelato questi movimenti, e si sospettava che la flessione degli attacchi bipiridinici contribuisse al movimento molecolare.

Ma questo esperimento che utilizzava segnali più diretti dai raggi X ha mostrato che questa spiegazione non era corretta. Con ogni impulso di raggi X della durata di soli 50 femtosecondi, il team ha potuto osservare l'eccitazione elettronica da parte della luce e il successivo processo di respirazione a intervalli molto più brevi che mai e ottenere un quadro più completo in tempo reale.

I ricercatori sperano che le conoscenze acquisite dalla respirazione molecolare li aiutino a migliorare le tecnologie come le celle solari sensibilizzate al colorante e l'archiviazione della memoria.

Le celle solari sensibilizzate sono una promettente alternativa futura per dispositivi economici ma efficienti, ma i loro coloranti che assorbono la luce spesso contengono metalli rari costosi come il rutenio. Gli scienziati vorrebbero invece utilizzare composti a base di ferro più economici, ma la commutazione magnetica che induce la respirazione molecolare interrompe il flusso di corrente elettrica attraverso una cella solare.

"Vediamo due processi in competizione nella molecola e la loro relazione con la struttura molecolare. Con queste informazioni, potremmo trovare modi per modificare la struttura molecolare al fine di favorire il processo utilizzabile per potenziali applicazioni tecniche, " dice Henrik Lemke, precedentemente uno scienziato del personale presso SLAC e ora presso l'Istituto Paul Scherrer di SwissFEL in Svizzera. Lemke è l'autore principale dello studio, che comprendeva anche ricercatori svedesi, Danimarca, Italia, e Francia, così come da SLAC.

"Per altre applicazioni, l'interruttore è effettivamente desiderabile, così potremmo creare un sistema di memoria molecolare, " Lemke aggiunge. "Nei dispositivi di archiviazione di memoria, un processo reversibile potrebbe consentirci di scrivere e memorizzare i dati con il materiale".

L'esperimento segna un significativo passo avanti nella capacità di visualizzare le dinamiche molecolari presso lo strumento X-ray Pump Probe di LCLS, commissionato per la prima volta nel 2010. Per generare immagini più nitide del movimento molecolare, gli scienziati di LCLS hanno sviluppato nuovi metodi per fornire campioni nel percorso del raggio laser a raggi X, così come speciali tecniche di analisi dei dati per tenere conto di varie fluttuazioni che possono offuscare l'esperimento.

I miglioramenti significano anche che i ricercatori sono ora in grado di raccogliere dati di qualità superiore in meno tempo. Gli scienziati di LCLS possono ora acquisire informazioni che prima potevano richiedere settimane per essere raccolte in pochi minuti.