Illustrazione dell'allungamento e della flessione ultraveloci di una molecola triatomica lineare e successiva imaging diretto con diffrazione elettronica indotta da laser. Credito:ICFO/K. Amini e U. Jena
Poter osservare come le molecole si piegano, allungare, rompere o trasformare durante le reazioni chimiche richiede strumenti e tecniche all'avanguardia in grado di osservare e tracciare tutti gli atomi all'interno di una molecola con un'elevata risoluzione spaziale e temporale subatomica.
Circa 20 anni fa, gli scienziati hanno avuto l'idea di utilizzare gli elettroni della molecola per scattare istantanee della struttura e visualizzare la reazione molecolare in tempo reale. Una svolta per l'imaging di molecole complesse è arrivata nel 2016 quando i ricercatori, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Jens Biegert, raggiunto la risoluzione spaziale e temporale richiesta per scattare istantanee della dinamica molecolare senza perdere alcun evento, reporting sull'imaging della rottura del legame molecolare in acetilene (C 2 h 2 ) in Scienza .
Ora, il gruppo di ricerca è andato oltre la precedente scoperta e ha raggiunto un'altra pietra miliare. In un recente studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), I ricercatori ICFO Dr. Kasra Amini, Dott. Michele Sclafani, Dott. Tobias Steinle, Aurelien Sanchez, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Dr. Jens Biegert, hanno osservato la flessione strutturale e lo stiramento del solfuro di carbonio composto molecolare triatomico, CS 2 .
Per osservare questo fenomeno, i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione elettronica indotta dal laser, una tecnica di microscopio elettronico su scala molecolare che cattura istantanee pulite della geometria della molecola con picometri subatomici combinati (pm; 13:00 =10- 12 m) e risoluzione spazio-temporale ad attosecondi. Hanno riferito che le modifiche ultraveloci nella struttura molecolare sono guidate da cambiamenti nella struttura elettronica della molecola, regolato dall'effetto Renner-Teller. Questo effetto è fondamentale per importanti molecole triatomiche come il solfuro di carbonio, CS 2 , poiché può determinare reazioni chimiche specifiche nell'atmosfera terrestre che potrebbero, Per esempio, influenzare le condizioni climatiche.
Ora, per la prima volta, il team ha visualizzato direttamente questo effetto nel loro esperimento, ottenere istantanee in tempo reale, vedere la molecola allungarsi simmetricamente e piegarsi in una transizione strutturale da lineare a piegata entro ~ 85 fs (otto cicli laser). Ciò è stato possibile grazie all'utilizzo di un microscopio quantistico all'avanguardia composto da:(i) un medio infrarosso di 3,1 µm intenso, sistema laser a femtosecondi che illumina un singolo CS 2 molecola con 160, 000 impulsi laser al secondo, e (ii) uno spettrometro per microscopio a reazione in grado di rilevare simultaneamente l'intera distribuzione tridimensionale del momento delle particelle di elettroni e ioni generate dalla ionizzazione e dall'imaging di recollisione sottociclo di una singola molecola isolata.
Per confermare i loro risultati sperimentali, il team ha anche eseguito simulazioni teoriche dinamiche quantistiche all'avanguardia, e verificato la corrispondenza tra risultati teorici e osservativi, confermando che la transizione ultraveloce da lineare a piegata è, infatti, attivato dall'effetto Renner-Teller. I risultati rappresentano un importante passo avanti nella comprensione degli effetti sottostanti che si verificano nei sistemi dinamici molecolari.
